Freios e Embreagem

Freios e Embreagem

FACULDADE DE TECNOLOGIA DE MOGI - MIRIM

TECNOLOGIA EM PROJETOS MECÂNICOS

Construções de Máquinas II Freios e Embreagem

Adriano de Aquino Paiva da Silva

Prof. Fioravante Willi Nesto

Mogi Mirim, 21 de maio de 2009.

INTRODUÇÃO

Quando um móvel ou elemento de máquina está em movimento, e desejamos pará-lo, é acionado um sistema de freio, reduzindo assim sua energia cinética para zero. E se queremos aumentar, reduzir ou sair de inércia este móvel, é necessário mudar a relação de marcha que é acionada por meio de embreagem. Logo, vamos tratar neste trabalho conjuntamente freios e embreagens. A fig. 1 mostra uma representação dinâmica simplificada de uma embreagem de atrito, ou um freio. Duas massas com inércias I1 e I2 e velocidades angulares, respectivamente, w1 e w2, uma das quais pode ser zero no caso de freios, são trazidas á mesma velocidade pela embreagem ou freio. Ocorre deslizamento porque os dois elementos estão em velocidades diferentes e a energia é dissipada durante o acionamento, resultando num aumento de temperatura. Analisando-se funcionamento destes dispositivos, deve-se ter:

  1. A força de acionamento.

  2. O torque transmitido.

  3. A perda de energia.

  4. O aumento de temperatura.

O torque transmitido é função da força atuante, do coeficiente de atrito e da geometria da embreagem ou freio. É um problema de estática que deverá ser estudado separadamente para cada configuração geométrica. Entretanto, o aumento de temperatura está relacionado com a perda de energia e pode ser estudado indiferentemente do tipo de freio ou embreagem, porque a geometria de interesse é constituída apenas pelas superfícies que dissipam o calor.

Neste trabalho será abrangido um pouco da estática dos freios e embreagens tipo tambor com sapatas internas, de auto-acionamento por força centrifuga.

  

MODELAGEM DE FUNCIONAMENTO

Muitos dos trabalhos hoje realizados, só foram possíveis por que tivemos mentes brilhantes que nos antecederam.

Se eu enxerguei um pouco mais além do que outro homem, foi porque subi em ombros de gigantes(Isaac Newton).

Estática dos freios e embreagem

A análise de todos os tipos de embreagens de atrito e freios utiliza o mesmo procedimento geral. Necessita-se das seguintes etapas:

  1. Admitir ou determinar a distribuição de pressão sobre as superfícies de atrito.

  2. Descobrir a relação entre a pressão máxima e a pressão em qualquer ponto.

  3. Aplicar as condições de equilíbrio estático para determinar de: (a) a força atuante, (b) o torque e (c) as reações de apoio.

Aplicar-se-ão estas etapas ao problema teórico mostrado na Figura 01. A figura mostra uma pequena sapata articulada em A, com força atuante F, força normal N no contato entre as superfícies, e a força de atrito f N, sendo f o coeficiente de atrito. O corpo move-se para a direita e a sapata está estacionária.

Etapa-01 Como a sapata é curta, considera-se a pressão uniformemente distribuída sobre a área de atrito.

Etapa-02 Da etapa 01 segue-se pressão; p= pa.

Etapa-03 Como a pressão está uniformemente distribuída, pode-se calcular uma força normal equivalente, logo: N = pa.a

Figura 01 - Forças atuantes sobre uma sapata articulada

Aplicando a somatória de momentos em relação ao ponto A temos:

Substituindo N = pa.A

Tomando-se o somatório das forças nas direções horizontal e vertical obtêm-se as reações pino-articulação:

A análise acima é muito útil quando se conhecem as dimensões da embreagem ou freio, e as características do material sob atrito.

Condições de Auto-acionamento

O bom uso do material da guarnição deve ser quando a pressão é um máximo em todos os pontos de contato. Fazendo-se b=f.a, a força F anula-se, e nenhuma força atuante é requerida, condicionando o autobloqueio. Para evitá-lo, deve-se oferecer a condição de auto-acionamento, o valor de F nunca deve ser ultrapassado. Um modo de se conseguir isto é aumentar a especificação do fabricante para o coeficiente de atrito em, por exemplo, 25 a 50 %. Portanto, considerando-se f’ = 1,25f a 1,50f, logo b = f’.a, obtendo-se as dimensões de a e b para conseguir-se o grau de auto-ativação desejado.

Classificação dos freios

Os vários tipos de dispositivos podem ser classificados como se segue:

  • De tambor com sapatas internas

  • De tambor com sapatas externas

  • De tambor com cinta externa

  • De discos ou axial

  • Cônicos

  • Diversos

FREIOS E EMBREAGENS DE AUTO-ACIONAMENTO

Constituem os três elementos; as superfícies de atrito que se casam (guarnição das sapatas e o tambor), os meios de transmissão do torque de e para as superfícies e o mecanismo de acionamento.

Figura 02 - Embreagem tipo tambor com sapatas internas de ação centrífuga

A Figura 03 mostra uma sapata tendo o ponto A como o pivô e a força atuante agindo na outra extremidade da sapata. O arranjo

Figura 03 Sapata interna

Seja p a pressão distribuída na área da guarnição; designa-se a pressão máxima por pa, localizada a um ângulo өa a partir do pino de articulação. Supõe-se agora (01 etapa) que a pressão em qualquer ponto é proporcional à distância vertical ao pino de articulação. Esta distância vertical é proporcional a e (etapa 02) a relação entre pressões é:

Logo temos,

p será máximo:

Quando ө = 90° ou, se o ângulo da sapata ө2 < 90°, então p será máximo na extremidade da sapata mais afastada do pino de articulação.

p será mínimo:

Quando ө = 0°, então a pressão p será zero.

A Figura 04 mostra um bom projeto, pois concentra tanto material da guarnição quanto fosse possível na vizinhança do ponto de pressão máxima. A guarnição começa num ângulo ө1, medido a partir do pino de articulação A, a terminar num ângulo ө2 . Qualquer arranjo deste tipo dará uma boa distribuição para o material da guarnição.

O procedimento da etapa 03, da Figura 04, as reações no pino de articulação são Rx e Ry. A força atuante F tem componentes Fx e Fy e age a uma distância c do pino de articulação. A qualquer ângulo өdo pino atua uma força normal diferencial dN cujo módulo é:

Onde b é a largura da guarnição (perpendicular ao papel). Substituindo-se o valor da pressão obtida, a força normal é:

Componentes da força Normal (dN):

Componentes da força de atrito (fdN):

Aplicando as condições de equilíbrio determina-se a força F, o torque e as reações Rx e Ry no pino.

Aplicando o somatório de momentos no ponto de articulação A, temos:

Onde temos o momento da força de atrito (Mf ):

e ainda, o momento da força normal (MN):

Figura 04 - Forças na Sapata

A força atuante F deve equilibrar estes momentos, logo:

Força atuante nula:

Fazendo-se , obtém-se o auto-travamento, e nenhuma força atuante é necessária.

Força atuante de ação de auto-acionamento:

Adotando-se f’ aproximadamente 1,25 a 1,50f, pode-se tirar o valor de a da relação, logo temos;

O torque T, aplicado ao tambor pela sapata do freio, é a soma das forças de atrito f dN vezes o raio do tambor:

Reação Rx:

Reação Ry:

Se inverter o sentido das forças de atrito se a rotação for invertida. Logo, para rotação no sentido anti-horário, a força atuante é:

e como os momentos tem o mesmo sentido, perde-se o efeito de auto-ativação, assim temos as reações:

Na utilização destas equações, o sistema de referência tem sua origem no centro do tambor. O sentido positivo do eixo x é considerado através do pino de articulação

EXEMPLO PRÁTICO

O freio mostrado na Figura 05 tem 300 mm de diâmetro e é acionado por um mecanismo que exerce a mesma força F em cada sapata. As sapatas são idênticas e têm largura de 32 mm. A guarnição é de amianto moldado, com coeficiente de atrito 0,32 e limitação de pressão de 1000kPa.

(a) Determine a força atuante F.

(b) Ache a capacidade de frenagem.

(c) Calcule as reações no pino de articulação.

Solução:

  1. A sapata do lado direito é de auto-acionamento, e, portanto, acha-se a força F considerando que a pressão máxima ocorre nesta sapata.

Figura 05 – Sapata de auto-acionamento

Nesta figura temos ө1= 0°, (ângulo de contato - ө2) ө2= 126°,

(ângulo onde a pressão é máxima - өa)өa= 90° logo sen өa = sen 90° = 1.

Figura 06 - Forças na sapata do lado direito.

Então o momento da força de atrito na sapata direita é:

Substituindo os valores temos:

O momento da força Normal na sapata direita é:

A força atuante na sapata direita é:

O torque aplicado pela sapata da direta é:

Sapata esquerda:

Como não conhecemos a pressão máxima de trabalho, para a sapata da esquerda temos:

O torque da sapata esquerda é:

A capacidade de frenagem é o torque total:

(c) Obtêm-se as reações;

Reações na sapata direita:

Rx:

Ry:

A força resultante no pino da sapata direita é:

Reações na sapata esquerda:

Rx:

Ry:

A força resultante neste pino esquerdo é:

Figura 07 - Forças e Reações

9. Referências Bibliográficas

- Shigley, Joseph Edward – Mechanical Engineering Design, Editora McGraw Hill – International Editions

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