Materiais para freios a disco automotivo

Materiais para freios a disco automotivo

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O material mais comumente utilizado nos dias de hoje é o ferro fundido cinzento, por ser confiável, barato e fácil de produzir em larga escala. Além disso, é razoavelmente leve e resistente, possui uma excelente capacidade de amortecimento de vibrações e possui uma ótima condutibilidade térmica. O ferro fundido cinzento ainda possui uma propriedade singular: seu calor específico aumenta com a temperatura, melhorando, portanto, sua capacidade de absorver energia térmica adicional gerada pela ação de frenagem.

Para automóveis de alta performance, como carros de corrida ou carros esportivos de luxo, são utilizados compósitos de carbono. Entretanto, seu preço elevado o torna proibitivo para uso convencional [MACNAUGHTAN, 1998].

Com o passar das décadas, a exigência das características que o material da pastilha de freio deveria exibir foi aumentando, sempre de acordo com as descobertas científicas da época e com os testes que iam sendo feitos com maior freqüência, sempre visando aumentar a segurança dos equipamentos.

Figura 2.2: Aumento da Importância ao Longo do Tempo de Propriedades Mecânicas do Material do Sistema de Freios. [BRECHT, 2003]

3. PROPRIEDADES IMPORTANTES DE UM SISTEMA DE FREIOS 3.1 Atrito

Um dos mais importantes fenômenos físicos relacionados a sistemas de frenagem é o atrito existente entre a pastilha e o disco de freio. A respeito do início do estudo de atrito seco, pode-se dizer que Leonardo da Vinci foi quem notou correlação positiva entre a força normal e a força de atrito. O mesmo notou que a as variações de área de contato aparentes dos corpos não influenciavam no valor da força de atrito. A relação entre o valor da força de atrito (FA) e a força normal (FN) é uma constante denominada coeficiente de atrito (µ), de modo que NAF F=µ [ERIKSSON, 2000].

Observa-se que a força de atrito atua segundo a direção tangente ao plano de contato entre dois corpos e que seu sentido é contrário ao sentido da velocidade relativa dos corpos em caso de atrito cinético (ou dinâmico) e que é contrária à solicitação de forças externas no caso em que não ocorre escorregamento (atrito estático). O atrito serve no sistema de frenagem como um dissipador da energia cinética, transformando-a em calor, que é dissipado para o ambiente, e em energia de superfície [PETER]. A força de atrito entre duas superfícies é determinada pelos principais fatores: as propriedades de contato dos materiais e a área real de contato. Tal força não é determinada de maneira trivial, pois esses dois fatores variam muito segundo as condições de estudo e operação do conjunto em questão. As superfícies podem ser descritas pelas características a seguir [ASM HANDBOOK]:

• Topografia: ondulações variam desde a escala atômica até tamanhos próximos ao da peça. Existem marcas devido a processos de fabricação, pequenos vales devido a micro-eventos e ainda rugosidade em escala atômica;

• Macrodesvios: desvios de forma, geralmente causados por fatores como a fabricação do componente;

• Ondulações: causadas por pequenas vibrações periódicas do equipamento de fabricação durante o processo;

• Rugosidade: causada pela geometria das ferramentas de corte e pelas ondulações sofridas na produção da peça;

• Micro-rugosidade: surge devido à estrutura cristalina da superfície, e é afetada na escala atômica, sendo até mesmo influenciada por imperfeições no material. Efeitos de corrosão são notados nessa escala.

A figura 3.1.1 ilustra os diferentes níveis de análise das imperfeições da superfície dos materiais. Os efeitos listados induzem a criação de modelos de atrito para descrever o comportamento de sistemas de freios. O modelo mostrado acima para cálculo do valor da força de atrito é o mais simples (modelo de Coulomb).

3.1.1. Tribologia em Freios As pastilhas de freio possuem certa área de contato aparente com os discos de freio, porém apenas cerca de 20% de tal área aparente apresenta verdadeiro contato. Normalmente as pastilhas de freio são compósitos formados por materiais com propriedades mecânicas muito diferentes. A superfície das pastilhas de freio possui uma complexa estrutura formada por “plateaus” distribuídos. Tais “plateaus” são definidos como as partes da pastilha que apresentam contato com o disco de freio. A força de frenagem é transmitida por áreas de contato que correspondem aos “plateaus”, cujos tamanhos e composições são de crucial influência para a atuação do atrito [ERIKSSON, 2000]. Comparando-se a interface de um freio real composto de pastilha e disco de freio com uma possível interface composta de duas peças de ferro fundido em contato, verifica-se que o número de áreas de contato seria muito menor no caso do ferro

Figura 3.1.1 – Diferentes níveis de imperfeição de superfícies [ASM HANDBOOK].

fundido. Isso ocorre devido à maior rigidez do material apresentado na segunda interface [ERIKSSON, 2000]. A composição química dos “plateaus” é, usualmente, dominada por ferro na forma de óxido de ferro ou na forma de aço. Formas como FeO e Fe3O4 são dominantes nos “plateaus”. Segue, uma tabela referente à composição química dessas estruturas.

Elemento

Porcentagem em massa Porcentagem atômica

Ferro 65 40

Oxigênio 25 52

Cobre 5 3 Silício 3 3

Enxofre 2 2

Tabela 3.1 – Composição Química dos “Plateaus” [ERIKSSON, 2000]. A área de contato

durante a frenagem está longe de ser constante, bem como as composições químicas da interface de contato entre o disco e a pastilha de freio. São explicados abaixo alguns efeitos dinâmicos que ocorrem na frenagem. Estes podem ser divididos em efeitos segundo processos rápidos, e segundo processos lentos.

Processos rápidos: uma rápida atuação da pressão de contato no freio provoca os seguintes efeitos [ERIKSSON, 2000]:

• Maior área de contato do que antes da frenagem;

Figura 3.1.2 – Rugosidade superficial de uma pastilha de freio (2 “plateaus”) [ERIKSSON, 2000].

• Redistribuição dos esforços nos plateaus, sendo que os maiores esforços são absorvidos naqueles de composição química mecanicamente mais estável, uma vez que os plateaus podem apresentar-se em diferentes composições químicas. Logo, a composição do material que transmite o atrito efetivamente na frenagem é modificada.

• A pressão de frenagem na superfície varia, ainda, segundo outras influências, como o ruído de freio.

Processos Lentos: tipicamente ocorrem após alguns segundos de frenagem.

Situações práticas de suas atuações são, por exemplo, no caso frenagens não muito intensas, de grande duração promovendo baixas desacelerações no veículo. As conseqüências abaixo discriminadas podem ocorrer [ERIKSSON, 2000]:

• Formação, crescimento e desintegração de “plateaus” de contato.

Envolvem aglomeração e compactação ao redor de núcleos de resistência maior do material.

• Adaptações da forma em nível microscópico ocorrem com o aumento do esforço exigido do material. Existe deformação localizada nos “plateaus”. Mecanismos elásticos e plásticos ocorrem, aumentando a área de contato na interface disco-pastilha.

• Adaptações da forma em nível macroscópico, pois as partes mais duras do material das pastilhas inicialmente promovem polimento na superfície do disco, fazendo-o ficar mais bem adaptado a sua forma. Após a deformação sofrida no disco, devido à atuação de esforços provenientes

Figura 3.1.3 – Ilustração do mecanismo de contato rápido com variação de área [ERIKSSON, 2000]: a)O número de “plateaus” aumenta segundo a deformação elástica da pastilha; b)A área de contato real de cada “plateau” aumenta com a deformação plástica.

da pastilha, a configuração do disco de freio vai ser ondulada. Formas de onda circulares concêntricas são notadas durante a atuação do freio.

3.1.2. Atrito em Feios – Modelos e Observações Experimentais Todas as conseqüências dos processos lentos descritos anteriormente provocam variações no coeficiente de atrito. Em processos rápidos, a medição da variação desse coeficiente é dificultada [ERIKSSON, 2000]. Uma situação na qual é possível notar variação do coeficiente de atrito é na utilização de pastilhas de freio nunca previamente usadas. Tais peças demandam um certo tempo de ação para que funcionem da maneira correta (para a qual foram projetadas). Inicialmente existem resíduos de forma na superfície devido aos processos de fabricação. Durante as primeiras atuações do freio sua eficiência vai mudando, pois vão surgindo os “plateaus” com o desgaste inicial da pastilha. A transformação da estrutura inicial da superfície para a estrutura composta por “plateaus” é mais rápida na pastilha do que nos discos de freio. Nas primeiras, apenas cinco freadas já são suficientes para estabilizar um valor aproximadamente constante de coeficiente de atrito. Já nos discos de freio, somente após cerca de trinta atuações do freio é que é estabilizada a estrutura superficial definitiva. Quando a estrutura definitiva é alcançada, temos uma maior estabilidade no valor do coeficiente de atrito na frenagem [ERIKSSON, 2000]. É observado na figura 3.1.4 que ocorre um aumento do valor do coeficiente de atrito conforme o freio é mais utilizado. Isso ocorre devido a adaptações e formações de “plateaus”. Durante longos testes de freio nota-se que tal fenômeno é independente da temperatura inicial do teste. Em diferentes temperaturas de atuação

Figura 3.1.4 – Variação do coeficiente de atrito segundo freadas seqüenciais [ERIKSSON, 2000]: a)Pastilha de freio; b)Disco de freio.

o valor do coeficiente de atrito que inicialmente atua é o mesmo [ERIKSSON, 2000]. Cada tipo de pastilha apresenta diferentes comportamentos com relação ao aumento do coeficiente de atrito conforme é aumentado o número de freadas. Um dos fatores influentes no formato da curva que descreve esse fenômeno é a umidade relativa do ar. Ambientes secos promovem efeitos mais evidentes do que ambientes úmidos (maior variação do valor do coeficiente de atrito) [ERIKSSON, 2000]. A respeito da dependência do valor do coeficiente de atrito com a velocidade relativa de escorregamento das superfícies, pode-se dizer que é um assunto da pauta de pesquisadores desde a época de Coulomb até a época atual. Coulomb mostrou que o coeficiente de atrito cinético poderia ser uma função da velocidade relativa de escorregamento. O mesmo pesquisador diria que o coeficiente de atrito estático é sempre maior do que o coeficiente de atrito cinético. Tal fato é aceito até hoje. Modelos existentes para sistemas de freio são extremamente complexos e trazem muitas dependências de efeitos dinâmicos. Por isso, não foram ainda adotados pela comunidade de pesquisadores de frenagem. Ainda não existe concisão nos modelos de atrito a respeito da dependência ou não da velocidade relativa de escorregamento. Enquanto os modelos clássicos adotados não levam em conta tal efeito, é observada uma variação do valor do coeficiente de atrito estático conforme é mudada a velocidade relativa de escorregamento. Tal comportamento é observado na prática como decrescente com o aumento do valor da velocidade relativa. Por isso, possivelmente, existe alguma relação mais complexa para descrever o atrito seco [KINKAID, 2003]. Segundo Orthwein [ORTHWEIN, 1986], o coeficiente de atrito é uma função da pressão de contato, da temperatura e da velocidade relativa de deslizamento das superfícies. Parte do aumento do coeficiente de atrito é explicada pela redução da

Figura 3.1.5 – Coeficiente de atrito em função da temperatura de frenagem [ERIKSSON, 2000].

velocidade de deslizamento do disco durante a parada. A maioria das pastilhas mostra maiores valores de coeficiente de atrito em mais baixas velocidades de deslizamento e, portanto, maior tempo para realizar a frenagem como mostrado na figura 3.1.6 [ERIKSSON, 2000]. Existem diferentes tipos de frenagem com diferentes efeitos. São eles [PETER]:

• Frenagem nas rodas dianteiras: é mais estável do que a frenagem nas rodas traseiras e pode transmitir grandes valores de carga;

• Frenagem nas rodas traseiras: tende a ser mais instável do que a frenagem nas rodas dianteiras.

Para calcular o valor da força de atrito, utiliza-se a expressão abaixo, que leva em conta em seu segundo termo (entre parênteses) o incremento de carga devido às forças de inércia [PETER].

Na equação acima, a variável W representa a força normal no disco, L a base da roda, h a distância do centro de gravidade do carro ao chão, d a desaceleração do veículo e g a aceleração da gravidade. O sinal da expressão é negativo para frenagem em rodas traseiras, e positivo para frenagem em rodas dianteiras. Materiais usados na produção de freios devem operar em um valor moderadamente alto e uniforme de coeficiente de atrito durante a frenagem [PETER]. Tipicamente os fabricantes de freio utilizam-se de aproximadamente 10 a 50% de estruturas cerâmicas na composição das pastilhas. Incluem-se como exemplo de cerâmica a alumina e a sílica. Alguns modificadores de atrito como o bismuto e o molibdênio (absorvedor de oxigênio) são usados para formar filmes nas superfícies dos freios, desta forma, o atrito pode ser controlado [PETER].

Figura 3.1.6 – Variação do Coeficiente de Atrito Enquanto se Freia com Pressão de Contato e Velocidade de Deslizamento Constantes [ERIKSSON, 2000].

A respeito da relação entre a pressão de contato do conjunto pastilha e disco de freio e do coeficiente de atrito, temos que o comportamento é descrito pelo gráfico da figura 3.1.7. Nele se observa uma queda no valor do coeficiente segundo um aumento da pressão de contato [PETER]. As diversas composições existentes promovem diferentes comportamentos dos materiais com relação ao coeficiente de atrito. Efeitos comparativos da composição de silício e alumínio são mostrados no gráfico da figura 3.1.8 [PETER].

3.1.3. Materiais para Construção de Pastilhas de Freio

Pastilhas de freio usualmente são feitas de materiais compósitos, conforme mencionado anteriormente. Nesta seção, serão detalhados os diferentes materiais que podem ser usados para confecção dessas importantes peças de frenagem. O processo de fabricação é geralmente a compactação a quente, e são utilizados de 10 a 20 componentes diferentes. É necessário que se tenha os seguintes componentes [ERIKSSON, 2002]:

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