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ELEMENTOS DE MÁQUINAS II
Freio a Disco
DANIELLA OLIVEIRA
MAICOM PETERS
MARCUS VINÍCIUS
RAFAEL DE ASSIS
VINÍCIUS SERAFIM
JUIZ DE FORA
2014
DANIELLA OLIVEIRA
MAICOM PETERS
MARCUS VINÍCIUS
RAFAEL ASSIS
VINÍCIUS SERAFIM
ELEMENTOS DE MÁQUINAS II
Freio a Disco
Relatório apresentado à Faculdade de
Engenharia Mecatrônica como requisito
parcial da disciplina de Elementos de
Máquinas II.
Professor: Renato Françoso de Ávila– Orientador
JUIZ DE FORA
2014
História:
Os primeiros freios eram constituídos por um dispositivo mecânico
simples; uma alavanca com pilotagem e uma sapata de madeira montada na
outra extremidade junto a roda, proporcionava a ação de frenagem.
Depois, com o passar dos anos, vieram os freios de cinta. Usualmente
eram constituídos por uma roda fixada ao centro do eixo traseiro do veículo e ao
redor dela uma cinta era montada, e sob as mesmas era inserido o material
atritante, que no início era o couro. O sistema de acionamento desses freios era
manual e feito através de simples alavanca presa a um suporte.
Os freios também foram evoluindo, seguindo, claro, a mesma evolução
dos veículos onde eram montados. O moderno conceito de Freio a Tambor
(Drum Brake) foi oportunamente inventado em 1902 pelo francês Louis Renault,
desenvolvido a partir de um sistema menos sofisticado que ele mesmo tinha
montado em um veículo Mayback 1901.
Os primeiros sendo acionados por alavanca, e posteriormente passou a
ser acionado por pressão hidráulica.
O grande salto na tecnologia de freios foi dado no início de 1900, quando
então em 1902 o inventor inglês Frederick Lanchester inventou o Freio a Disco.
Segundo pesquisas efetuadas em sites especializados, os freios a disco já eram
utilizados na Inglaterra no início de 1890, porem foi Frederick Lanchester que
patenteou o projeto desse freio e o aplicou em seu primeiro veículo.
Informações históricas (obtidas no site da National Bicycle History Archive
of America) garantem que o Freio a Disco foi originalmente idealizado para
bicicletas em 1876 pelos Ingleses Browett & Harrison. O sistema, que foi
patenteado e chamado de Caliper Brake, proporcionava uma frenagem efetiva
em velocidades mais altas.
Definição
Freios são equipamentos utilizados para diminuir ou cessar o movimento
de um eixo, transformando a energia cinética do eixo em energia térmica por
meio do atrito entre as pastilhas e o disco.
Aspectos construtivos
Os freios a disco são compostos basicamente por: Disco de freio; pastilha;
pinça.
O disco de freio pode ser classificados basicamente como disco solido,
ventilado, frisado, perfurado e combinações dessas classes. Os discos são
fixados no eixo a ser freado.
As pastilhas de freio, são encontradas em diversos formatos, de acordo
com a marca e o modelo do conjunto de freio, são compostas de uma base de
metal e uma camada de material que entrara em contato com o disco, material
que é responsável pelo atrito.
A pinça de freio é ligada a uma parte fixa do equipamento, ela é
responsável por alojar e segurar as pastilhas, nela contém o pistão que forçará
a pastilha contra o disco.
Atrito
O atrito é uma força na mesma direção do movimento, ou tendência, de
dois corpos, mas com o sentido contrário. É gerada pela asperidade dos corpos.
A força de atrito é sempre paralela às superfícies em interação e contrária ao
movimento relativo entre eles.
Apesar de sempre paralelo às superfícies em interação, o atrito entre
estas superfícies depende da força normal, a componente vertical da força de
contato; quanto maior for a Força Normal maior será o atrito. A energia dissipada
pelo atrito é, geralmente, convertida em energia térmica e/ou quebra de ligações
entre moléculas, como ocorre ao lixar alguma superfície.
Materiais de atrito
O material de atrito é uma união de matérias com mistura conforme
formulação. No caso de utilização em freios, deve estar capacitado para suportar
as seguintes condições, resistência ao impacto, tendo uma determinada dureza,
ser flexível com o objetivo de acompanhar as deformações, suportar
temperaturas sem grandes modificações físicas, ter um baixo coeficiente de
desgaste, emitir baixo nível de ruído, não ser muito abrasiva e ter um coeficiente
de atrito estável ao longo de seu uso.
O material de fricção de um sistema de freio é um dos mais complicados
materiais de compósitos e usualmente contém mais de dez ingredientes. Este é
desenvolvido para manter a força de fricção estável, dureza confiável e uma boa
resistência ao desgaste nas mais variadas condições de uso.
Os primeiros freios foram feitos de couro e de tecidos de algodão
impregnados com asfalto/borracha. A partir de 1905 o asbesto (ou amianto) foi
usado como material de fricção de guarnições, lonas de freios e discos de
embreagem para automóveis, caminhões, tratores..., devido a suas excelentes
características térmicas as quais lhe conferem boas propriedades, como material
de reforço, mas devido ao efeito cancerígeno em seres humanos o asbesto está
sendo proibido em diversos países. Logo, procura fibras para substituir o asbesto
como material de reforço.
Mecanismos de acionamento
Atualmente são encontrados com mais frequência, freios com
acionamentos mecânicos e hidráulicos.
Geralmente freios com acionamentos mecânicos, utilizam de alavancas
para ter a força de acionamento menor do que a de atuação.
Freios a disco com acionamentos hidráulicos, podem ter a acionamentos
que utilizam a pressão do ar para acionar um cilindro que por sua vez aciona o
pistão na pinça de freio, ou uma alavanca que faz esse acionamento. Todos
esses métodos servem para multiplicar a força usada no acionamento, os
cilindros hidráulicos utilizam o princípio de Pascal para aumentar a força.
Critérios de dimensionamentos
Dimensionamento dos acoplamentos por atrito:
Comprimento de um arco qualquer:
𝐶 =𝜋 ∗ 𝑟 ∗ 𝛼
180
Onde:
C = comprimento do arco
α = ângulo do arco (graus)
Força total utilizada no acoplamento:
Como sabemos:
𝐹 = 𝑃 ∗ 𝐴
Onde:
F = força
P = preção
A = área
Sabendo que queremos calcular a força normal aplicada em uma área
infinitesimal do acoplamento, podemos escrever esta equação da seguinte
maneira:
𝑑𝐹 = 𝑃 ∗𝜋 ∗ 𝑟 ∗ 𝛼
180 𝑑𝑟
Para descobrir o valor da força total basta integrar a equação anterior:
𝐹 = ∫ 𝑃 ∗𝜋 ∗ 𝑟 ∗ 𝛼
180 𝑑𝑟
𝑟𝑓
𝑟𝑖
Onde:
r = raio
rf =raio final
ri = raio inicial
Portanto, a força normal total aplicada será:
𝐹 =𝑃 ∗ 𝜋 ∗ 𝛼
180∗ (
𝑟𝑓2 − 𝑟𝑖
2
2)
Torque de cada elemento:
Para calcular o torque em um eixo, temos:
𝑇 = 𝐹𝑡 ∗ 𝑟
Onde:
T = torque
Ft = força total
r = raio
Como:
𝐹𝑡 = 𝐹 ∗ 𝜇
Onde:
F = força normal
µ = coeficiente de atrito
Logo:
𝑇 = 𝐹 ∗ 𝜇 ∗ 𝑟
Mas como visto anteriormente:
𝐹 = 𝑃 ∗ 𝐴
Logo teremos:
𝑇 = 𝑃 ∗ 𝐴 ∗ 𝜇 ∗ 𝑟
Sabendo que queremos calcular o torque aplicado em uma parte
infinitesimal do acoplamento, podemos escrever esta equação da seguinte
maneira:
𝑑𝑇 = 𝑃 ∗𝜋 ∗ 𝑟 ∗ 𝛼
180∗ 𝜇 ∗ 𝑟 𝑑𝑟
Para descobrir o valor do torque total basta integrar a equação anterior:
𝑇 = ∫ 𝑃 ∗𝜋 ∗ 𝑟 ∗ 𝛼
180∗ 𝜇 ∗ 𝑟 𝑑𝑟
𝑟𝑓
𝑟𝑖
Portanto, o torque total aplicado será:
𝑇 =𝑃 ∗ 𝜋 ∗ 𝛼
180∗ 𝜇 ∗ (
𝑟𝑓3 − 𝑟𝑖
3
3)
Possibilidades de ocorrências de falhas
Apesar dos avanços tecnológicos do setor a ocorrência de falhas ainda
existem sejam em função de problemas de projeto ou falta de manutenção
preventiva.
São exemplos de causas: vazamento de fluido, quebra do pedal, torção no
disco ocasionando a quebra, falha na composição da pastilha, cisalhamento nos
parafusos de fixação, defeito de fabricação do disco, empeno do disco, entupimento
dos conduites, superaquecimento etc.
Não são incomuns problemas em sistemas de freios envolvendo grandes
fabricantes e que devem ser corrigidos através dos “recalls”. Por exemplo:
- A Dodge tem um anúncio convocando 1626 proprietários do SUV Journey para
troca de componentes (pastilhas e discos) do sistema de freio dianteiro e traseiro
que podem vir a apresentar pulsação/vibração e certas condições de frenagem.
Convocação disponível em: http://www.dodge.com.br/#!recall.
Dodge Jorney
- A SRAM, fabricante que comercializa freios para bicicletas anunciou recall de cerca
de 19 mil produtos que foram considerados não seguros. Em temperaturas baixas,
o pistão mestre do freio não consegue manter a vedação do sistema, fazendo com
que a pressão do freio caia drasticamente e a bicicleta fique impossibilitada de parar.
O problema foi identificado em provas de ciclocross. Disponível em:
https://www.sram.com/news-articles/sram-road-hydraulic-brake-recall-stop-use-
immediately.
Freios SRAM
Acionamentos automatizados
O freio ABS vem da expressão alemã Antiblockier-Bremssystem, embora
mais frequentemente traduzido da inglesa Anti-lock Breaking System, é um
sistema eletrônico que, utilizando sensores, monitora a rotação de cada roda e
a compara com a velocidade do carro.
Em uma situação de frenagem de emergência, a força de frenagem
aplicada pelo motorista pode ser maior que o pneu pode suportar: a roda trava.
Em um veículo equipado com o sistema ABS, os sensores de velocidade
da roda medem a velocidade de rotação das rodas e passam essas informações
à unidade de controle do ABS. Se a unidade de controle do ABS detectar que
uma ou mais rodas tendem a travar, ele intervém em questão de milissegundos,
modulando a pressão de frenagem em cada roda individual. Ao fazer isso, o ABS
impede que as rodas travem e garante uma frenagem segura: o veículo continua
sob controle e estável. Em geral, a distância de parada é reduzida também.
Sensores de rotação:
O sistema de frenagem antitravamento precisa saber, de alguma maneira,
quando uma roda está prestes a travar. Os sensores de rotação, que estão
localizados em cada roda ou, em alguns casos, no diferencial, fornecem essa
informação.
Válvulas:
Existe uma válvula na tubulação de cada freio controlado pelo ABS. Em alguns
sistemas, as válvulas têm três posições:
a posição um, a válvula está aberta; a pressão do cilindro-mestre é
passada direto até o freio;
na posição dois, a válvula bloqueia o tubo, isolando o freio do cilindro-
mestre. Isso previne que a pressão suba mais caso o motorista pressione
o pedal do freio com mais força;
na posição três, a válvula libera um pouco da pressão do freio.
Bomba:
Uma vez que a válvula libera a pressão dos freios, deve haver uma maneira de
repor aquela pressão. É isso que a bomba faz: quando a válvula reduz a pressão
num tubo, a bomba repõe a pressão.
Unidade Controlada:
A unidade controladora é um computador no automóvel. Ela monitora os
sensores de rotação e controla as válvulas.
Freios automáticos: A Euro NCAP, o respeitado órgão de segurança
veicular Europa e influente em todo mundo, oficializou que a partir de 2014 só
serão aprovados com 100% de eficácia veículos equipados com sistema de
frenagem automática.
O sistema de freio automático depende de sensores de proximidade
montados na parte frontal do carro, como um pequeno radar, no caso dos carros
da Volvo. Se o motorista se distrair em algum momento e não notar a
proximidade do veículo a sua frente um sinal é disparado e os freios são
acionados com força total sem interferência externa.
Não significa, porém, que o acidente será necessariamente evitado, mas
a força do impacto pode ser reduzida, diminuindo os danos e os riscos físicos.
Por isso, o equipamento é indicado principalmente para o trânsito urbano, onde
acontecem com maior frequência batidas em baixa velocidades, causadas
basicamente por distrações.
Princípio de funcionamento:
Os Freios atuam efetuado a transformação da energia cinética do
equipamento em energia térmica, que é dissipada na forma de calor. Essa
transformação ocorre pelo atrito entre dois ou mais componentes, que no nosso
caso são as pastilhas e o disco.
Projeto:
Para que possamos desenvolver um bom projeto de freio precisamos conhecer
uma serie de dados construtivos do veículo, ao qual os freios serão empregados.
A escolha do sistema de freios deve ser baseada nas características do
veículo, na performance desejada para o sistema, estabilidade e uniformidade
de operação.
Os dados primários necessários seriam:
Peso do veículo representado na figura por G e suas componentes GED
e GET;
Posicionamento do Centro de Gravidade CG nas posições X, Y e Z;
Distância entre eixos (L): Importante dimensão no cálculo da transferência
de carga;
Altura do centro de gravidade h (uma das componentes do CG);
Raio de Rolamento (RR) dos pneus, utilizado para cálculo da Massa de
Inercia;
Raio efetivo do freio a disco (Ref.), ou raio do tambor de freio (Ret.);
Coeficiente de aderência Pneu x Solo (f);
Coeficiente de Atrito da Pastilha ou Lona de Freio (µ) ou Fator de Freio
(C*) de ambos.
Com os dados fornecidos podemos calcular o torque de frenagem, que é
proporcional ao peso do veículo e ao raio de rolamento dos pneus.
Referências
JUVINALL, Robert C.; KURT, M. Marshek / Fundamentos do projeto de
componentes de máquinas; tradução e revisão técnica Fernando Ribeiro da
Silva. – Rio de Janeiro: LTC, 2008.
http://www.rumoautopecas.com.br/p/pinca-de-freio-gm-blazer-s10-4x2-ano-
todos-4x4-ano-05-em-diante-completa-l-e.html. Acesso em 12/07/2014.
http://maverickgtv8.blogspot.com.br/2010/06/atualizacao-de-freios-dianteio-
e.html. Acesso em 13/07/2014.
http://carros.ig.com.br/noticias/europa+exigira+carros+com+freio+automatico+a
+partir+de+2014/4843.html. Acesso em 13/07/2014.