Materiais para freios a disco automotivo

Materiais para freios a disco automotivo

(Parte 4 de 5)

Figura 3.3.10 – As lamelas de grafita funcionam como depósitos de detritos, onde o acúmulo destes forma camadas que servem como lubrificante, protegendo as superfícies do desgaste [CUEVA, 2000].

Figura 3.3.1 – Riscos mais profundos nas superfícies desgastadas, devidos ao desgaste abrasivo. As lamelas de grafita podem ser cobertas pela matriz metálica que se deforma plasticamente [CUEVA, 2000].

3.4 Vibrações Os primeiros estudos sobre vibrações de freios datam de 1935, baseados em formulações matemáticas e alguns dados experimentais. No caso, sugeria-se que o fenômeno de vibração estava diretamente relacionado com o coeficiente de atrito decrescente à medida que se aumenta a velocidade entre as duas superfícies em contato. Alguns dados posteriores, como holografias e análises por elementos finitos, forneceram uma descrição mais detalhada sobre o comportamento vibratório de cada componente do mecanismo. Isso mostrou que as vibrações ocorridas no sistema de freio são resultados de uma interação de diversos fatores: a variação do coeficiente de atrito como uma função da velocidade relativa entre as superfícies de contato (no caso de freio a disco ou tambor) e da temperatura; as massas de cada componente; as molas equivalentes e os amortecedores que compõem o determinado mecanismo [ORTHWEIN, 1986]. As causas da vibração são costumeiramente classificadas em três tipos. O primeiro trata-se de vibrações forçadas, como um impulso, podendo ser causada por lombadas ou qualquer outro tipo de fenômeno semelhante nas rodas. O segundo tipo constituise de vibrações causadas pelas características de atrito entre os materiais do freio em contato, no caso, o disco e a pastilha. Por último, temos as vibrações causadas pela ressonância dos componentes de freio, que, no caso, resulta em ruídos agudos e estridentes que podem ser ouvidos [JACOBSSON, 2003]. Como conseqüência das vibrações do disco na estrutura do sistema, podemos ter um maior desgaste do material devido à fadiga. Em casos de ressonância, o efeito é

Figura 3.4.1 – Holografia de um sistema de freios. No caso, o rotor estava em uma rotação de 10rpm, a vibração na superfície do rotor possui 8 diâmetros nodais e a freqüência de vibração registrada é de 10750 Hz. [KINKAID, 2003].

perceptível na forma de ruídos. Assim, deve-se evitar, principalmente, as vibrações de maior amplitude e maior freqüência. Contudo, o campo das vibrações do sistema de freio ainda é muito indefinido e confuso, havendo divergências entre inúmeros modelos teóricos e experimentais propostos. É necessária muita pesquisa para se obter resultados mais concretos [JACOBSSON, 2003].

3.5 Ruído O ruído pode ser classificado simplesmente como sendo uma vibração cuja freqüência é auditiva. Pelo fato de que a energia dissipada pelo som é geralmente muito pequena, mecanicamente os efeitos do ruído na estrutura do freio possuem pouca importância, mas no que diz respeito à comodidade e conforto dos usuários estes assumem um valor relevante. Na verdade, quase toda a energia dissipada por um sistema de freios se dá na forma de calor. Nenhum ruído é gerado quando o coeficiente de atrito está abaixo de um certo valor crítico limite (“squeal threshold”). O nível do limite depende da arquitetura do sistema de freio, de seus parâmetros, dos materiais utilizados e de suas características de atrito. Acima desse valor, entretanto, a geração de ruído não é certa. Com uma série de condições iniciais, existe apenas uma probabilidade de ocorrer ruído auditível. Apenas abaixo do valor crítico é que essa probabilidade é nula. Os ruídos de um sistema de freio podem ser descritos como um som irritante cuja freqüência principal varia de 1 a 20 kHz. Isso acontece em baixas velocidades do veículo (abaixo de 30 km/h) e baixas pressões de freio (abaixo de 20 bar).

Figura 3.5.1 – Foto de um equipamento de teste.

Figura 3.5.2 – Resultado demonstrativo de um teste de ruído. Ruídos são registrados ao final do acionamento do freio, no tempo de 25 a 30 segundos [ERIKSSON, 2000].

Visando conhecer o nível de ruído que o freio está emitindo, é possível realizar um teste de ruído. Nesse teste um dinamômetro é conectado no disco de freio através do eixo, sendo capaz de fornecer as ressonâncias de vibração. Durante o teste, as pressões de freio, o torque, as temperaturas, a intensidade do som e a umidade relativa do ar são registrados. Mesmo assim, tratando-se de um estudo de ruídos de freio, a geometria e a escala dos modelos são de suma importância. Uma miniatura de freio nunca dará as mesmas freqüências de ressonância do que um componente real. Apesar de muito tempo de desenvolvimento dos sistemas de freios, o ruído emitido pelo disco de freio continua como um grande problema a ser solucionado. Mas não se pode dizer que não houve progresso nessa área. Muitos estudos experimentais e analíticos têm contribuído para uma diminuição do ruído emitido.

3.6 Resistência Térmica e Mecânica O sistema de freio tem como função reduzir a velocidade de um veículo ou mantê-la quando este está em um declive, portanto, sem o freio não se consegue controlar o veículo. Daí sua extrema importância. Na verdade, o que o sistema de freio faz é, numa frenagem, transformar a energia cinética do automóvel em energia térmica (ou de superfície pelo desgaste dos componentes do

freio), diminuindo assim sua velocidade. Durante esse processo, o disco de freio está sujeito a elevados gradientes térmicos (Fig 3.6.1) e a elevadas temperaturas (Fig 3.6.2), o que pode desencadear um processo de fadiga térmica [HOHMANN et al., 1999].

Figura 3.6.1 – Distribuição de temperaturas no disco no tempo [Angus, 1966].

Figura 3.6.2 – Disco de freio em processo de dissipação de energia por irradiação decorrente das temperaturas elevadas.

No processo de transformação de energia (Cinética → Térmica), as pastilhas de freio são pressionadas contra o disco, que por atrito recebe energia e produz calor. Ao esquentar, formam se na superfície do rotor pontos de alta temperatura (“hot spots”), estabelecendo, assim, um alto gradiente de temperatura. Devido a este elevado gradiente de temperatura o disco sofre tensões de compressão, o que acaba por

provocar deformações plásticas no material. Assim, quando o disco esfria, tensões residuais se formam [YAMABE et al., 2002], favorecendo, a formação de defeitos. Este fenômeno pode ser observado na Figura 3.6.3 [CHOI et al., 2004]. A conseqüência da formação de “hot spots” é o surgimento de trincas na superfície do disco. As tensões térmicas originadas fazem com que a superfície do disco se expanda. A Figura 3.6.1 mostra a variação da temperatura no tempo em diferentes pontos de um disco de freio. O interior permanece abaixo do limite plástico do material, e, com o resfriamento, retorna ao seu comprimento normal. Em contrapartida, depois que a superfície sofre deformação plástica de compressão, ela é submetida à contração térmica, resultando em tensões que são responsáveis pela formação de trincas (Figura 3.6.4). Sob condições reais, este processo se repete inúmeras vezes e as trincas, conseqüentemente, continuam a crescer. [JIMBO et al., 1990].

Figura 3.6.3 – Temperatura na espessura no disco de freio em função do número de frenagens.

Figura 3.6.4 – Ilustração da formação de trincas devido às tensões térmicas [JIMBO et al., 1990].

É interessante mencionar que grandes variações de temperatura resultam em dois possíveis casos: choques térmicos que geram trincas superficiais e/ou grande quantidade de deformações plásticas no disco de freio. No campo dos choques térmicos, um número relativamente pequeno de ciclos de desacelerações de grande intensidade (fadiga de baixo ciclo), pode gerar trincas macroscópicas ao longo da direção radial que chegam a atravessar a espessura do disco (Figura 3.6.5). Porém, a fratura do disco de freio também pode ser decorrente de fadiga termomecânica, o que faz com que o disco frature com um número maior de ciclos (fadiga de alto ciclo). [MACKIN et al., 2002]. Para que esse processo ocorra é necessário que a tensão provocada seja maior do que um limite (limite de fadiga térmica). Recentemente um alto limite de

fadiga térmica (σe) (Fig 3.6.6) tem sido uma das características mais procuradas em discos de freio [YAMABE et al., 2002]. Como supra citado, quando o sistema de freio é ativado, as pastilhas de freio são pressionadas contra o rotor havendo transferência de energia. Nesse processo, além das tensões térmicas, o disco sofre, também, altas tensões de natureza mecânica, que se erroneamente analisadas, podem levar a acidentes. Daí a necessidade de se analisar não só as solicitações térmicas, como também as mecânicas. Usualmente, usa-se para tal aplicação, ferro fundido cinzento. Esse material é largamente usado, pois reúne uma série de características de interesse, tais como [YAMABE et al., 2002]:

• Alto limite de fadiga térmica;

Figura 3.6.5 – Disco de freio frontal de uma Pickup Ford F-250. Trincas passantes são vistas na direção radial do disco. [MACKIN et al., 2002].

Figura 3.6.6 – Curva S-N (Tensão x Número de ciclos)

• Boa resistência; • Boa resistência ao desgaste;

• Boa condutividade térmica;

3.7. Fatores Externos

Nos freios automotivos, em função da geometria da pastilha, a relação entre o coeficiente de atrito na interface pastilha-disco e o torque produzido não é linear. Dessa forma, quando se estuda freios, além de analisar o coeficiente de atrito, costuma-se definir outro parâmetro mais apropriado: a eficácia. A eficácia de um sistema de frenagem é definida como a razão entre o torque obtido com a ação do atrito do freio pela força aplicada e permite uma descrição da performance do freio. A qualidade do material de fricção não significa necessariamente um alto coeficiente de atrito, pois muitas vezes uma ação excessiva do freio representa perigo de travamento das rodas e perda de dirigibilidade (desconsiderando a existência de um sistema auxiliar de controle como o ABS). A confiabilidade e a estabilidade de atrito são fatores primordiais num projeto, devendo apresentar consistência ao longo de toda a vida do material. Por essa razão as características do freio devem se manter aproximadamente constantes para uma faixa de temperatura correspondente à operação. Isso é algo bastante complicado, uma vez que a variação de temperatura influencia diretamente no valor do coeficiente de atrito. Desse modo, percebe-se que o desempenho de um sistema de frenagem sofre grande influência de parâmetros variáveis, tais como, condições e temperaturas de funcionamento, presença de contaminantes, tempo de uso do sistema, etc. Todos estes fatores, apesar de não serem totalmente causados pelo meio externo, estão reunidos nesta seção. É importante frisar que não existe uma pastilha que ofereça melhor desempenho em todas as condições de uso, isto é, cada tipo está restrito a uma condição especificada. Cada qual possui uma temperatura ótima de operação, logo, de nada adianta colocar uma pastilha esportiva num carro de passeio, pois a temperatura ideal para o funcionamento desse tipo de pastilha dificilmente seria atingida num carro de passeio, diminuindo sua eficácia e aumentando o desgaste do disco.

3.7.1. Sensibilidade ao Meio-Ambiente Certos contaminantes, como a água, o óleo, a poeira e a oxidação alteram a eficácia do freio, pois modificam a interface entre o disco e a pastilha, podendo alterar a área efetiva de contato ou características como o coeficiente de atrito. Dependendo da espessura do filme de óleo, por exemplo, podemos ter um aumento do coeficiente de atrito (o que pode travar as rodas) ou a sua diminuição (perda de eficácia). Já uma pequena quantidade de óleo, junto com água, aumenta a ação lubrificante, reduzindo o desgaste do disco. Qualquer alteração ou evento externo que passe a atuar no sistema, demanda um longo período de tempo para que o freio recupere suas capacidades originais, isso quando a recuperação é possível.

3.7.2. Condições de Operação 3.7.2.1. “Fade” e Recuperação

desse acionamento

A eficácia de um sistema de freios depende também do seu regime de operação, ou seja, com que freqüência o condutor do veículo aciona o freio e as características Todo material atritado, quando submetido a trabalho em temperaturas elevadas, até 350º C, por exemplo, apresenta redução no seu coeficiente de atrito. A este fato chamamos de “fade”. Esta redução no coeficiente de atrito, entretanto, deve manter-se dentro de limites toleráveis de modo que o conjunto ainda apresente um bom desempenho.

Figura 3.7.1 – Efeito da elevação da temperatura no coeficiente de atrito em duas condições de uso.

Resfriando o material até a temperatura ambiente após um ensaio de “fade” e fazendo novas medições do coeficiente de atrito, os valores obtidos devem ser similares àqueles que eram obtidos antes do ensaio. A este fenômeno dá-se o nome de recuperação.

3.7.2.2. “Green Effectiveness” Quando o material da pastilha é novo, ele ainda não se encontra “polido” e seu contato com o disco de freio não apresenta um bom assentamento. A pastilha nova apresenta, portanto, uma menor eficácia e uma maior variação de desempenho.

3.7.2.3. Sensibilidade à Velocidade Todas as pastilhas de freio apresentam variação de desempenho de frenagem com a velocidade do disco de freio. A sensibilidade à velocidade varia com o tipo de material e com a sua composição, bem como com a temperatura, pressão e seu histórico de uso.

4. SISTEMAS DE FREIO AUTOMOTIVOS 4.1. Freio a Disco O freio a disco é o melhor sistema de frenagem existente na atualidade. Este sistema é empregado em uma grande variedade de veículos, desde carros de passeio até locomotivas e aviões de grande porte. Os freios a disco têm longa vida útil, são autoajustáveis, pouco afetados pela água, leves e, ainda, apresentam menor dilatação e melhor equilíbrio das pressões exercidas quando comparados com outros sistemas de frenagem. Atualmente, são utilizados em todos os automóveis nas rodas dianteiras, no entanto, devido ao seu considerável custo de fabricação, não estão presentes nas rodas traseiras de modelos pequenos e médios (que usam freio a tambor no eixo traseiro em vez de freio disco) [THE FAMILY CAR] [BEST CARS WEB SITE]. 4.1.1. Componentes O sistema de frenagem a disco é composto de componentes hidráulicos e de fricção. Os componentes hidráulicos têm a função de acionar o sistema de fricção e de amplificar a força aplicada pelo motorista ao pedal de modo a torná-la suficiente para parar o veículo. Os componentes de fricção são todos aqueles que agem utilizando o atrito entre as peças para efetuar a frenagem do automóvel [CARRO E CIA]. Os principais componentes hidráulicos do sistema são:

• Reservatório (“reservoir”): Armazena o fluido de freio. Possui uma entrada que permite que mais fluido seja colocado quando o nível do mesmo encontra-se baixo. Localiza-se logo acima do cilindro mestre [THE FAMILY CAR] [BOSCH].

• Cilindro mestre (“master cylinder”): Está localizado junto ao motor, à frente do assento do motorista. Tem a função de gerar a pressão hidráulica para todo o sistema de freio. É composto por duas câmaras sendo que cada uma delas é responsável pela frenagem de duas rodas. Desse modo, mesmo se uma das câmaras falhar, o motorista ainda conseguirá parar o veículo [THE FAMILY CAR] [BOSCH].

• Fluido de freio (“brake fluid”): É um óleo especial com algumas propriedades específicas, por exemplo, não congela a baixas temperaturas e nem ferve a

Figura 4.1 – Cilindro Mestre e Reservatório [THE FAMILY temperaturas mais elevadas. Por ser incompressível, transmite a pressão hidráulica gerada através do acionamento do pedal aos componentes de fricção [THE FAMILY CAR] [BOSCH].

• Tubulação (“brake lines”): O fluido de freio escoa a partir do cilindro mestre através de uma série de tubos de aço e mangueiras de borracha reforçadas. Estas mangueiras são utilizadas em locais onde se precisa de flexibilidade, ou seja, nas regiões mais próximas das rodas [THE FAMILY CAR] [BOSCH].

• Válvula reguladora de pressão (“proportioning valve”): Localiza-se entre o cilindro mestre e o sistema de freios das rodas traseiras. Sua função é ajustar a pressão entre os freios dianteiros e traseiros dependendo da maneira com a qual o motorista aciona o pedal [THE FAMILY CAR] [BOSCH]. Dentre os componentes de fricção, destacam-se os seguintes:

• Pastilhas (“pads”): Existem duas pastilhas montadas sobre cada uma das pinças, uma de cada lado do disco. Têm a função de transmitir a força do sistema hidráulico para o disco e, através do atrito resultante, realizar a parada da roda. Antigamente eram fabricadas em amianto devido as suas boas propriedades térmicas e por ser um material silencioso quando submetido a condições de atrito, no entanto, por ser um material cancerígeno, o amianto não é utilizado atualmente e novos materiais para este fim têm sido empregados. Pastilhas de diferentes materiais apresentam vida útil e nível de ruído distintos [THE FAMILY CAR] [BOSCH].

• Disco (“disk”): Normalmente é feito de aço e fabricado por usinagem. Sua função é de realizar a parada da roda através do atrito resultante do contato com as pastilhas além de contribuir na dissipação do calor gerado [THE FAMILY CAR] [BOSCH].

• Pinça (“caliper”): É a peça responsável pela transmissão de força às pastilhas. Dentro da pinça existe uma espécie de êmbolo que pressiona as

Figura 4.4 – Esquema de Pinça [THE FAMILY CAR]

Figura 4.3 – Discos [BOSCH]

Figura. 4.2 – Pastilhas [BOSCH] pastilhas contra o disco quando o pedal de freio é acionado [THE FAMILY CAR] [BOSCH]. 4.1.2. Mecanismo e Funcionamento

Quando o pedal de freio é acionado, um êmbolo localizado no cilindro mestre força o fluido de freio a escoar pela tubulação. O fluido passa pelas válvulas reguladoras até atingir o sistema de frenagem de cada roda. Como o fluido é incompressível, empurrá-lo por um tubo é o mesmo que empurrar um sólido qualquer pelo mesmo tubo. No entanto, o fluido pode fazer curvas e passar por bifurcações, chegando às rodas com a mesma pressão aplicada pelo êmbolo do cilindro mestre. Em cada uma das rodas, o fluido aciona o êmbolo da pinça, que, por sua vez, pressiona as pastilhas contra o disco. A pressão de contato entre as pastilhas e o disco gera uma força de atrito que diminui a velocidade do veículo, fazendo-o parar [THE FAMILY CAR].

4.2. Freio a Tambor O sistema de freio a tambor é utilizado principalmente nas rodas traseiras de veículos leves. Em modelos mais antigos também são utilizados na parte dianteira [CARRO E CIA]. Os componentes principais deste sistema são: o tambor, a sapata, a lona, o cilindro de roda, as molas de retorno e o sistema de ajuste automático [THE FAMILY CAR]. Quando o pedal é acionado, o fluido de freio é forçado, sobre pressão, para o cilindro de roda, o qual, por sua vez, empurra a sapata e a lona, que entra em contato com a superfície interna do tambor. Quando a pressão é aliviada, as molas de retorno puxam a sapata e a lona de volta para sua posição inicial. Para garantir que não ocorra atrito na posição inicial, as sapatas e lonas precisam percorrer uma distância relativamente longa para atingir o tambor quando o freio é acionado. Após um certo

Figura 4.5 – Esquema do Mecanismo do Freio a Disco [THE FAMILY CAR]

deslocamento do conjunto sapata-lona, um mecanismo de auto-ajuste é acionado de forma que o conjunto citado encontre uma posição de equilíbrio, em atrito com o tambor, proporcionando estabilidade à frenagem [THE FAMILY CAR]. O freio a tambor é também utilizado como freio de estacionamento, popularmente chamado de freio de mão. Esse sistema controla os freios traseiros através de uma série de cabos de aço acionados por uma alavanca de mão ou por um pedal. O sistema é projetado para ser completamente mecânico e um caminho alternativo ao sistema hidráulico, de modo que o veiculo possa parar mesmo se houver uma falha total no sistema de freios. Os cabos acionam uma alavanca montada diretamente no conjunto sapata-lona, o que torna desnecessário o sistema hidráulico [THE FAMILY CAR].

(Parte 4 de 5)

Comentários