Freios e Embreagens

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica

Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

2

7.1. Introdução e Definições


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

TÓPICOS ABORDADOS

7. FREIOS e EMBREAGENS

Freios

Embreagens

7.2. Tipos e Características Principais

7.3. Componentes Principais

7.4. Características da Frenagem

7.5. Funcionamento

7.6. Materiais Utilizados

7.7. Análise das Cargas

7.8. Energia e Temperatura

7.9. Embreagens

Exercícios

3

7.1. INTRODUÇÃO e DEFINIÇÕES

Dispositivo mecânico destinado a trazer para a mesma velocidade duas

massas com inércias I1 e I2 (podem ser iguais) e velocidades normalmente

angulares (ω1 e ω2) ou lineares (v1 e v2).


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

DEFINIÇÃO

- Devido a similaridade de suas funções, embreagens e freios serão tratados

conjuntamente.

- No caso de uma das velocidades ser zero, o dispositivo utilizado é o FREIO

- A EMBREAGEM é utilizada nos outros casos. É um acoplamento.

4

7.2. TIPOS e CARACTERÍSTICAS

1. Freio de SAPATA (Tambor)


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

2. Freio à DISCO

Sapata Interna

Sapata Externa

3. Freio de CINTA

4. Embreagens

Molas

Disco

5

Sapata Externa

Sapata Interna


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

1. Freios de Sapata



Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

6

1. Freios de Sapata INTERNA Sapatas ou Lonas



Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

7

1. Freios de Sapata INTERNA



Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

8

Freio auto travante Freio não auto travante

1. Freios de Sapata INTERNA


Acionamento mecânico


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

9

1. Freios de Sapata EXTERNA



Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

10

Pastilhas

2. Freios a DISCO



Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

11

2. Freios a DISCO



Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

12

2. Freios a DISCO



Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

13

2. Freios a DISCO



Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

14

2. Freios a DISCO



Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

15

Freios hidráulico

Freio eletromagnético

Freio modular

2. Freios a DISCO - Clips



Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

16

3. Freios de CINTA


eP

P 2

1


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

17

3. Freios de CINTA (cont.)


F

Cinta de couro

Cinta de

pastilhas

Cinta de aço


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

18


Freios de CINTA diferencial

3. Freios de CINTA (cont.)


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

19

Espelho (back plate): tem a função de alinhar o conjunto para prover o ponto ideal de contato entre a

sapata e o tambor de freio. Caso o espelho esteja desalinhado este ponto fica

comprometido, ocorrendo desgaste prematuro das sapatas.

Sapatas e lonas: as sapatas alojam as lonas de freio. As lonas

feitas de amianto têm como característica a

sua estabilidade de atrito durante sua a vida

útil. As lonas duram mais que as pastilhas

de freio e causam o mínimo de desgaste do

material de fricção.

Outra característica marcante é a

resistência e rápida recuperação em caso de

“fade”, que é a perda de eficiência em

virtude das altas temperaturas entre tambor

e lona. Existe uma série de configurações de

disposição das sapatas: fixa/fixa;

simplex/fixa; duplex e flutuante.

7.3. COMPONENTES PRINCIPAIS


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

20

Tambor: sua função principal é formar a superfície de atrito com a qual a lona de freio irá

ser comprimida. O tambor também serve como tampa para o sistema, evitando

entrada de poeira e detritos, porém ele não é vedado e será atingido em passagens

inundadas. Os rolamentos da roda também estão alojados ali.


Os tambores são feitos de ferro fundido,

no entanto possuem uma pequena

porcentagem de carbono na composição.

Devido à lenta dissipação do calor esses

pontos de carbono tendem a subir em direção

À maior temperatura, no caso a superfície de

atrito, formando “bolinhas” azuladas.

Quando a temperatura cai essas elas tornam-

se extremamente duras, gerando trepidações

na frenagem.


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

21

Cilindro de freio: tem a função de acionar as sapatas via pressão hidráulica do fluido de freio. Em

geral é feito de ferro fundido e composto por pistão, gaxetas de vedação e mola

centralizadora. O cilindro de freio possui também tipos diferentes, são eles: efeito

simples, duplo efeito e duplo efeito com diâmetros diferenciados.

Molas: têm a função de retornar as sapatas a sua

posição inicial depois de cessada a pressão

no pedal.

Freio de estacionamento: em geral é um sistema mecânico independente

que consiste em um cabo metálico ligado a

uma alavanca conectada a uma das sapatas.

Quando puxada, o cabo é acionado

pressionando as sapatas contra o tambor.



Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

22

Regulador automático: ao acionar o freio, a resposta precisa ser imediata. Contudo as lonas sofrem

desgaste e a folga entre ela e o tambor aumenta; o cilindro mestre precisa,

portanto, compensar com mais fluido, alongando o curso do pedal.


Para evitar esse inconveniente foi

incorporado um sistema de regulagem

automática que vai deslocando a

sapata para próximo do tambor de

acordo com seu desgaste, até certo

ponto.

Quando o desgaste se torna crítico deve-se

trocar todo o conjunto do tambor.


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

23



Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

24

Influência do tipo de terreno.

7.4. CARACTERÍSTICAS da FRENAGEM


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

25

7.4. CARACTERÍSTICAS da FRENAGEM

Freio a disco sem ABS

Freio a disco com ABS


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

26

Para reduzir a velocidade ou imobilizar a massa, a energia cinética

acumulada durante o movimento deve ser dissipada.

A análise do funcionamento destes dispositivos, é feita avaliando-se:

7.5. FUNCIONAMENTO

Toda a energia é transformada em calor, aumentando a temperatura e

dissipada para o meio.

Os freios executam essa tarefa através do ATRITO entre as sapatas e o

tambor.

- A força de acionamento - F

- O torque transmitido - T

- A perda de energia

- O aumento de temperatura - T


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

27

7.5. FUNCIONAMENTO


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

28

7.5. FUNCIONAMENTO


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

29

VANTAGENS DO FREIO A TAMBOR:

- Incorpora facilmente um sistema de freio de estacionamento

- Baixo custo de fabricação

- Baixo custo de manutenção

- Grande área de atrito

- Simples e funcional

7.5. FUNCIONAMENTO

(em relação ao freio a disco )

- Possui grande área de contato (motivo pelo qual toda a linha de veículos pesados ainda usa freio a tambor )


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

30

- Eficiência de frenagem inferior

- Mais pesado

- Possui mais peças

- Superaquece com mais facilidade

- Manutenção demorada, embora mais barata

- Tendência ao “fading” (fadiga causada pelo excesso de calor)

- Sua blindagem não o protege contra imersão

7.5. FUNCIONAMENTO

DESVANTAGENS DO FREIO A TAMBOR:

(em relação ao freio a disco )


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

31

7.5. FUNCIONAMENTO

- Dissipação de calor:

- CARACTERÍSTICAS NECESSÁRIAS:

Resiliência:

- Capacidade do material resistir a uma

carga por choque sem apresentar uma

deformação permanente.

- Absorver energia em curto período de

tempo e, em seguida, restituir.

- Área abaixo da curva no diagrama

s x , na região elástica.


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

32

7.6. MATERIAIS UTILIZADOS

1. Alto e uniforme coeficiente de atrito

2. Resistência à altas temperaturas e boa condutividade térmica

4. Boa resiliência

3. Alta resistência ao desgaste

As pastilhas de freios e lonas são basicamente confeccionados por uma

mistura de:

Razão de área/potência média de frenagem

[mm2/(J/s)]

Tipo de

serviço Aplicações típicas

Freio de cinta

e tambor

Freio a disco

de prato

Freio a disco

de pinça

baixo Freios de emergência 52 171 17.1

intermitente Elevadores, guindastes ,

guinchos e gruas 171 434 43

pesado Escavadeiras, prensas 342-422 832 86

Tabela 1:

Área superficial requerida para

várias potências de frenagem


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

33

7.6. MATERIAIS UTILIZADOS

- Fibras de asbesto - alta resiliência e suportam altas temperaturas;

- Partículas de atrito - resistência ao desgaste e alto coeficiente de atrito;

- Materiais aglomerantes.

Passos a seguir:

1º) Determinar a distribuição de pressão nas superfícies em contato;

2º) Determinar uma relação entre a pressão máxima e a pressão atuante

em qualquer ponto;

3º) Aplicar as equações de equilíbrio estático e determinar:

- a força atuante ou necessária à frenagem;

- o torque de frenagem ou capacidade do freio e

- as reações nos pinos.


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

34

7.7. ANÁLISE DAS CARGAS

- Força necessária à frenagem - F

- Torque de frenagem - T

- Reação nos pinos - Rx e Ry

A área da sapata

pa pressão máxima

atuante

p pressão em qualquer

ponto

f coeficiente de atrito

1º passo:

Área da sapata pequena distribuição de pressão uniforme


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

35


a

A

b

f.N

movimento

Rx

F

N f.N

pa = pmáx

Ry pino

Determinar uma relação entre a pressão máxima e a pressão atuante em

qualquer ponto.

ApN a

p = pmáx (pa)

N = pressão . A

..(1)

3º passo:

Aplicar as equações de equilíbrio estático.

Fx = 0

Fy = 0

...(2)

- Substituindo (1) em (2) e resolvendo para a força

atuante (F), tem-se:

MA = 0

b

afbApF a


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

36

a

Movimento

N

f.N

A

Ry

Rx

F

b

f.N

pmáx


2º passo:

F . b + f . N . A – N . b = 0

Rx = f . pa . A

Ry = pa . A - F

1º PASSO:


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

37


A pressão é proporcional à distância vertical, a partir do pino.

- FREIO DE SAPATA INTERNA

Determinar a distribuição de pressão nas superfícies em contato

d

2

x

y

Ry

Rx

r

F

Rotação

aA

r.d

pmáx

p sen ()

a

a

a

a

sin

sinpp

sin

p

sin

p

2º PASSO:

1º) pmáx (pa) ocorre em = 90º

2º) = 0 pouca contribuição

para a frenagem


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

38

7.7. ANÁLISE DAS CARGAS - FREIO DE SAPATA INTERNA

1º PASSO:

A pressão é proporcional à distância vertical, a partir do pino.

x

Determinar uma relação entre

a pressão máxima e a pressão

atuante em qualquer ponto.

OBS.:

Distribuição de pressão mais próxima da real

1

2

x

y

Ry

Rx

r

F

F

F

x

y

a.seno.

r -

a.co

s.

dNdN.seno.

dN.cos.

f.dNf.dN.cos.

f.dN.seno.

Rotação

ac

area

drbpdN

onde b largura da sapata

d

sen

senrbpdN

a

a

a

asen

senpp


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

39


3º PASSO: Aplicar as equações de equilíbrio estático e determinar:

Freio mais eficiente. força necessária à frenagem - F

torque de frenagem - T

reações nos pinos - Rx e Ry

1

2

x

y

Ry

Rx

r

F

F

F

x

y

a.seno.

r -

a.co

s.

dNdN.seno.

dN.cos.

f.dNf.dN.cos.

f.dN.seno.

Rotação

ac

0 Nf MMcF

A

(3) sapata auto-travante


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

40


3º PASSO: Aplicar as equações de equilíbrio estático e determinar:

MA = 0

c

MMF

fN

c

MMF

fN

(4) sapata não auto-travante

...(3)

...(4)

1

2

x

y

Ry

Rx

r

F

F

F

x

y

a.seno.

r -

a.co

s.

dNdN.seno.

dN.cos.

f.dNf.dN.cos.

f.dN.seno.

Rotação

ac

1) Sapata auto-travante: a

a drbpdNdrbpdN

sin

sin


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

2

1

cos

ardNfM f

darsen

sen

rbpf

a

a

2

1

cos

2

1

2

1 2

2

sen.acosr

sin

rbpfM

a

af

41

- Cálculo da carga F:

- Momento devido à força de atrito - Mf :


c

MMF

fN

1

2

x

y

Ry

Rx

r

F

F

F

x

y

a.seno.

r -

a.co

s.

dNdN.seno.

dN.cos.

f.dNf.dN.cos.

f.dN.seno.

Rotação

ac

- Momento devido à força normal - MN:


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

2

1

senadNM N

dsen

sen

arbp

a

a

2

1

2

2

14

2

2

sen

sen

arbpM

a

a

N

42


a

a drbpdNdrbpdN

sin

sin

1) Sapata auto-travante:

- Cálculo da carga F: c

MMF

fN

1

2

x

y

Ry

Rx

r

F

F

F

x

y

a.seno.

r -

a.co

s.

dNdN.seno.

dN.cos.

f.dNf.dN.cos.

f.dN.seno.

Rotação

ac


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

43

- Cálculo da capacidade de frenagem - T (torque de frenagem):

d

sen

senrbpf

a

a

2

1

2

dsen

sen

rbpf

a

a 2

1

2

2

1

rdNfT


a

a drbpdNdrbpdN

sin

sin


21

2

coscos

a

a

sen

rbpfT

xx FsendNfdNR

2

1

2

1

cos

x

BA

a

a Fdsenfdsensen

rbp

2

1

2

1

2cos

2

1

2

1 2cos

2

sendsenA

2

1

2

1 4

2

2

2

sendsenB

x

a

a

x FBfAsen

rbpR


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

44

1

2

x

y

Ry

Rx

r

F

F

F

x

y

a.seno.

r -

a.co

s.

dNdN.seno.

dN.cos.

f.dNf.dN.cos.

f.dN.seno.

Rotação

ac


a

a drbpdNdrbpdN

sin

sin


- Cálculo da reação nos pinos - Rx e Ry


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

45

1

2

x

y

Ry

Rx

r

F

F

F

x

y

a.seno.

r -

a.co

s.

dNdN.seno.

dN.cos.

f.dNf.dN.cos.

f.dN.seno.

Rotação

ac

yy FdNfsendNR

cos

2

1

2

1

y

AB

a

a Fdsenfdsensen

rbp

2

1

2

1

cos2

y

a

a

y FAfBsen

rbpR

cos FFx

senFFy


a

a drbpdNdrbpdN

sin

sin


- Cálculo da reação nos pinos - Rx e Ry (cont.)

onde:


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

46


c

MMF

fN

x

a

a

x FBfAsen

rbpR

y

a

a

y FAfBsen

rbpR

1. Sapata auto-travante:

c

MMF

fN

x

a

a

x FBfAsen

rbpR

y

a

a

y FAfBsen

rbpR

2. Sapata NÃO auto-travante

4 hipóteses foram assumidas:


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

47


A pressão em qualquer ponto foi assumida como proporcional à

distância a partir do pino, sendo zero nele.

1.

2.

3.

4.

O efeito da força centrífuga foi desprezado.

A sapata foi considerada rígida.

- no caso de freios, onde a sapata é estacionária, não há problema.

- no caso de embreagens, é preciso considerá-la nas equações de equilíbrio.

O coeficiente de atrito foi considerado uniforme. Ele de fato depende de

algumas variáveis:

f = f (pressão, temperatura, material, desgaste, etc.)


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

48

c

MMF

fN

x

a

a

x FBfAsen

rbpR

y

a

a

y FBAfsen

rbpR

7.7. ANÁLISE DAS CARGAS - FREIO DE SAPATA EXTERNA



Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

49

c

MMF

fN

x

a

a

x FBfAsen

rbpR

y

a

a

y FBAfsen

rbpR

7.7. ANÁLISE DAS CARGAS - FREIO DE SAPATA EXTERNA

2) Sapata NÃO auto-travante:

1. Toda a energia cinética do elemento de máquina em rotação é absorvida

pelo freio, em forma de calor, entre os tempos t0 = 0 e t1.

- Tempo requerido para frenagem:

- Energia total dissipada durante a frenagem:

21

21211

IIT

IIt

21

2

2121

2 II

IIE

onde:

(independente do torque)


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

50

7.8. ENERGIA e TEMPERATURAS

I1,2 inércia dos corpos

ω1,2 velocidades angulares

T torque


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

51

mC

ET

[oC]

onde:

E energia dissipada

C calor específico (500 J/kg.oC para aços e ferro fundido)

m massa do freio [kg]

tTa

T

T

T

1

2

máx

t

T

1 2

T

t

T

7.8. ENERGIA e TEMPERATURAS

2. Aumento de temperatura - T.


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

52

7.9. EMBREAGENS


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

53

Embreagem cônica

7.9. EMBREAGENS


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

54

7.9. EMBREAGENS


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

55

Embreagem de molas

7.9. EMBREAGENS


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

56

7.9. EMBREAGENS


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

57

Embreagem de disco

17.9. EMBREAGENS


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

58

Embreagens Múltiplas

7.9. EMBREAGENS

1. O freio mostrado na figura exerce a mesma força em ambas as sapatas

e possui as seguintes características:

- pressão máxima suportada: 1 MPa

- diâmetro: 300 mm

- largura da sapata : 32 mm

- coeficiente de atrito: 0.32


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

59

12

6°

24°

12

6°

Pinos

F F

62 62

11

21

00

50 50

n

a

EXERCÍCIO

Determine:

a) a força exercida F, em

ambas as sapatas.

b) o torque de frenagem.

c) as reações nos pinos.


Ele

mento

s de M

áquin

as

II -

Fre

ios

e E

mbre

agens

60

c) as reações R1 e R2 nos pinos

b) O torque T de frenagem:

a) Força exercida F:

EXERCÍCIO 1 - RESPOSTAS:

F = 2293 N

Ttotal = 528.5 N.m

R1 = 5031 N

R2 = 863.4 N

Sapata direita:

Sapata esquerda:

(auto-travante)

(não auto-travante)

Obs.:

Invertendo-se a posição do pino, a sapata esquerda torna-se auto-travante e o torque

seria, então igual ao da sapata direita.

TTotal = (2 x 366) = 732 N.m Acréscimo de 30% na capacidade de frenagem.

12

6°

24°

12

6°

Pinos

F F

62 62

11

21

00

50 50

n

a

Freios e Embreagens

Documents

Transcript of Freios e Embreagens