Freios e Embreagens

Freios e Embreagens

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APOSTILA FREIOS e EMBRAGENS POR ATRITO

Autor: Prof.Dr. Auteliano Antunes dos Santos Junior

Esta apostila é parte integrante das notas de aulas da disciplina Elementos de Máquinas I, do curso de graduação da FEM/UNICAMP. Trata-se de um resumo para que os alunos possuam um material de consulta com as informações mínimas necessárias para o entendimento dos conceitos e da teoria exposta em aula. Como tal, não prescinde da consulta a outras fontes, particularmente se o leitor desejar se aprofundar em algum dos assuntos abordados. Essa apostila contém no mínimo todas as informações apresentadas nos principais livros de Elementos de Máquinas adotados na FEM-Unicamp.

1. INTRODUÇÃO

Desde os primórdios da civilização o homem tem se defrontado com necessidades que o levam ao desenvolvimento de soluções práticas. As maiores descobertas trouxeram novas necessidades e a busca do conforto e segurança continua e continuará por muito tempo.

Com a descoberta da roda o homem conseguiu vencer uma de suas maiores limitações: o transporte de um peso bem maior que o seu. No entanto havia um problema: enquanto um objeto arrastado parava quase que imediatamente após a força de arraste ter cessado, isso não acontecia com uma roda. Como, então, pará-la?

Os freios surgiram a partir da necessidade de parar algo que se deslocava ou impedir que algo se deslocasse. São um caso específico de uma classe de elementos de máquinas chamada de acoplamentos por atrito. Os primeiros freios eram do tipo cunha e serviam apenas para impedir que um movimento se iniciasse. Os freios com alavanca (Figura 1) vieram como uma evolução surpreendente, pois permitiam ao condutor realizar um esforço de frenagem grande quando comparado com a pequena força que empregava para acionar os freios. No entanto, este tipo de freio só se tornou importante a partir do momento que o homem construiu veículos com tração alternativa: ele não mais arrastava ou puxava as cargas, outros animais o faziam.

Figura 1 - Freios de Alavanca

Projetos novos surgiram e apareceram soluções práticas para um menor esforço do condutor ou um melhor controle do processo de acoplamento. Novos tipos de acoplamentos surgiram: magnéticos, eletromagnéticos, por corrente parasita, hidráulicos e outros. Entretanto, o principal tipo de acoplamento empregado ainda é o por atrito. Esse tipo atua quando dois materiais a velocidades diferentes se atritam, fazendo com que aquele que tiver condição de manter a velocidade influa sobre a velocidade do outro. Caso a velocidade de um dos materiais seja nula, o acoplamento é chamado de freio; caso nenhum dos dois tenha velocidade nula, o acoplamento é chamado de embreagem. Freios e embreagens, por questão de espaço, são normalmente acoplados a eixos rotativos, atuando no sentido de alterar velocidades angulares e não lineares.

O uso de freios e embreagens por atrito para o acoplamento de eixos em velocidades diferentes deve-se principalmente ao fato de que o eixo que está sendo acionado, ou seja, tendo sua velocidade alterada, acopla-se gradualmente ao eixo que o está acionando. Acoplamentos rígidos não poderiam ser utilizados, já que a variação instantânea da velocidade implicaria numa aceleração infinita. A mudança repentina de velocidades significaria um choque de elevada magnitude, amortecido apenas pela rigidez dos componentes, o que fatalmente levaria a falha por sobrecarga em algum dos elementos acoplados.

Se o esforço a ser transmitido for muito grande, a aderência entre as superfícies limitará a transmissão, fazendo com que as superfícies escorregem e o esforço não passe pelo acoplamento. Esse é o princípio que norteia o uso de acoplamentos de atrito como limitadores de torque. Na realidade, também haverá escorregamento enquando as velocidades forem diferentes, e o esforço máximo que pode ser transmitido depende do coeficiente de atrito dinâmico entre os materiais em contato. Quando os eixos se acoplam, obviamente com a mesma velocidade, o coeficiente de atrito estático passa a ser o fator que limita o esforço a ser transmitido. Detalhes sobre o coeficiente de atrito nas páginas seguintes.

2. Tipos de Acoplamentos por Atrito

Os principais tipos de acoplamentos por atrito são chamados de embreagens e freios. As primeira se dividem basicamente em embreagens à disco e cônicas, enquanto que os últimos se dividem em freios à tambor e à disco, com diversas construções derivadas. Cada um desses tipos de acoplamentos é discutido a seguir.

2.1. Embreagens à disco para uso com Transmissões Mecânicas

Transmissões mecânicas são utilizadas entre a fonte de potência, o motor, e a carga, que é onde a energia gerada está sendo consumida. Nos casos mais simples, são redutores de velocidade de um estágio, que servem também para aumentar o torque disponível no motor, permitindo o uso de motores menores para o acionamento da carga. Nos casos mais complexos, as transmissões não têm apenas uma relação fixa de transmissão: possuem diversas combinações possíveis que permitem que a velocidade seja aumentada ou reduzida, dependendo da saída desejada. Algumas transmissões permitem que a alteração da relação de transmissão seja feita de forma gradual, como nas CVTs, discutidas em aula; outras não permitem a variação gradual.

O tipo mais comum de transmissão é por engrenagens, utilizada principalmente em veículos automotivos. Nesse tipo de transmissão, o torque do motor é transmitido até a saída da transmissão por um conjunto de pares de engrenagens conjugadas. Para que a relação de transmissão seja alterada, é necessário que um par ou mais do conjunto seja desacoplado e que outro par, ou pares, sejam acoplados. Como as engrenagens são rígidas, sistemas mecânicos complexos fazem com que as velocidades tangenciais das engrenagens que serão acopladas se aproximem. Ainda assim, os dentes sofreriam todo o choque causado pelo subto acoplamento da carga ao motor numa nova relação de transmissão, a menos que essas velocidades fossem absolutamente iguais. Para evitar esse choque, o motor é desacoplado da linha de transmissão no instante da alteração da relação de transmissão (mudança de marcha) com o uso de uma embreagem. Como o veículo possui inércia maior do que o motor, a sua velocidade será relativamente estável durante o curto período da troca de marchas e o eixo de acionamento da transmissão (entrada) pode ser levado até uma velocidade compatível com a do veículo. Nesse instante, o eixo de entrada da transmissão estará acoplado por engrenagens ao eixo de saída; o eixo do motor poderá estar em rotação diferente. Com o alívio da embreagem pelo condutor do veículo, a embreagem serve de acoplamento entre o motor e a transmissão: se as rotações forem diferentes, os elementos de atrito da embreagem deslizarão até que estas sejam iguais.

A figura 2 mostra um tipo simples de embreagem automotiva. Este tipo trabalha a seco, ou seja, os discos não estão embebidos em óleo, o que serviria para resfiamento do conjunto. A embreagem mostrada está na posição acionada. Nessa posição, o volante, preso ao eixo do motor, está transmitindo o torque através de parafusos à placa de pressão. As molas, normalmente de 6 a 10, pressionam essa placa contra o disco, que também se apóia no volante do lado oposto. O disco é identificado na figura pelas laterais que atritam com os elementos citados, chamadas de planos de fricção. O conjunto volante-eixo do motor funciona como um cubo, no qual é colocado um rolamento para apoiar o eixo de saída da embreagem, que vai para a transmissão. Assim, ambos os eixos permanecem alinhados e podem trabalhar em rotações diferentes quando a embreagem não está transmitindo torque.

Utilizar a expressão “embreagem acionada” poderia dar margem a uma interpretação errada do que ocorre. Quando o condutor aciona a embreagem, os eixos se desacoplam e a embreagem poderia ser considerada como que na posição não acionada. Assim, é necessário definir o que se deseja dizer: quando for dito que a embreagem está acionada fica convencionado que o condutor acionou a alavanca de embreagem e os eixos deixaram de estar acoplados. Na figura 2, quando o condutor aciona o pedal da embreagem,um cabo aciona a alavanca mostrada com o nome “aliviar”, que desloca o cubo mostrado ao longo do eixo. Esse movimento move a alavanca de alívio comprimindo as molas contra a a cobertura externa da embreagem, fazendo com que a placa de pressão se afaste do disco e a embreagem seja desacoplada.

Figura 2 – Esquema simplificado de Embreagem Automotiva

Atualmente, o tipo mais comum de embreagem automotiva não utiliza molas helicoidais, mas um tipo especial de mola prato, chamada vulgarmente de chapéu chinês. A figura 3 mostra esse tipo de elemento, à esquerda. Mostra também, a direita, um disco de embreagem comum. As molas centrais são para amortecer os choques torsionais.

Figura 3 – Mola prato e disco de embreagem automotiva

Um tipo de embreagem também empregada em veículos automotivos, em especial em caminhões de pequeno porte e caminhonetes, é a de múltiplos discos. Também empregada em máquinas agrícolas e outros dispositivos mecânicos, esse tipo de embreagem faz uso de um número maior de discos para transmitir torque elevados. Como vantagem, ocupa um espaço radial muito menor do que as embreagens convencionais à seco; como desvantagem, ocupam um espaço axial muito maior.

Como a dimensão radial é menor, é mais difícil trocar o calor gerado durante o acoplamento, e os discos precisam ser embebidos em óleo para resfriamento. Isso reduz significativamente o coeficiente de atrito entre as superfícies, mas implica em utilizar uma força normal entre os discos maior para transmitir um torque adequado. O menor coeficiente de atrito diminui o desgaste por disco, mas a maior força normal torna a aumenta-lo. Como o desgaste é proporcional ao trabalho realizado e este é dividido entre os discos, embreagens desse tipo duram mais até a reposição dos discos. Esse tipo de embreagem também é utilizada como freio.

2.2. Embreagens Cônicas

Embreagens cônicas são utilizadas quando se deseja grande amplificação da força de aplicação sem que haja limitação axial para deslocamento. O princípio básico é o da cunha: quando a parte chamada cone desloca-se para a esquerda da figura, pela ação da força da mola, surge uma pressão nas superfícies de contato, que aumenta conforme o deslocamento axial aumenta. Esse esforço gerado depende da força da mola e do ângulo do cone (). Para desacoplar a embreagem, basta mover o cone para a direita.

A grande vantagem desse tipo de embreagem é permitir um grande esforço normal nas superfícies em contato sem um apreciável esforço de engate. A desvantagem é o movimento axial, nem sempre possível na maioria dos dispositivos. Embreagens cônicas também são empregadas como freios.

Figura 4 – Esquema básico de um Embreagem Cônica

2.3. Freios à Disco

Um freio à disco é basicamente uma embreagem à seco na qual um dos elementos trabalha em rotação nula. Assim, o disco, que normalmente é o elemento ligado ao eixo girante, é acoplado a um eixo com velocidade nula através de uma pinça. Essa está presa à estrutura do veículo ou dispositivo. A

magnético, por esforço centrífugo,).

pinça pode ter acionamento pneumético, como em veículos ferroviários e alguns freios de caminhões e ônibus; hidráulico, como na maioria dos veículos comerciais de pequeno porte, ou outro (elétrico,

metálicos (ferro fundido, aço, alumínio,). Os discos podem ser sólidos, para menores potências de

Devido ao grande torque a ser transmitido, normalmente até duas ou três vezes maior do que o do motor, os discos necessitam de grande área de resfriamento. Por isso, apenas parte de sua superfície é utilizada como superfície de atrito a cada instante. As pastilhas de freio, que fazem a função da placa de pressão e do volante nas embreagens, ocupam uma pequena parcela da área total do disco. Para facilitar a reposição, o material de atrito fica nas pastilhas e não nos discos, que são normalmente frenagem, ou ventilados. Esses últimos podem ser ventilados por aletas internas ou por furos na superfície de atrito, como em motocicletas. Os furos também têm a função de retirar o material desgastado da região de contato entre a pastilha e o disco. A figura 5 mostra um sistema com disco sólido, à esquerda, e outro com um disco ventilado, à direita. No sistema da esquerda, o freio tem provavelmente dois cilindros de acionamento de cada lado, permitindo uma melhor distribuição de pressão sobre a pastilha. No freio da esquerda é mostrada a entrada de óleo sob pressão que alimenta o cilindro da pinça; também é mostrada a saída do óleo para retirada de bolhas de ar, sob a mesma designação de “entrada de óleo”.

Figura 5 –Freios à Disco Sólido (à esquerda) e Ventilhado (à direita)

2.4. Freios à Tambor com Sapatas Externas

maquinas de elevação, tais como pontes rolantes, elevadores, gruas, etcNormalmente é composto de

A figura 6 mostra o tipo mais comum de freio de tambor de sapatas externas. É utilizado em duas sapatas simetricamente dispostas em torno de um tambor, que é ligado a carga a ser freiada. No caso da figura 6, o tambor provavelmente está ligado a um outro tambor para enrolamento de cabos de aço de um elevador. No sistema mostrado, o acionamento é eletromagnético, mas também pode ser pneumático e, mais raramente, hidráulico ou manual. Quando o freio é acionado, o conjunto de alavancas atua no sentido de aplicar pressão entre as sapatas, que contém o material de atrito substituível, e o tambor.

O tambor de freios mostrado serve também para dissipar o calor gerado na interface com as sapatas. Um freio semelhante a esse é empregado em veículos ferroviários. No caso desses veículos, a sapata é pivotada em torno de um pino que a liga ao sistema de alavancas. A figura 7 mostra uma sapata colocada sobre a roda, à esquerda, e o esquema pneumático de aplicação dos freios ferroviários, à direita. Apenas um cilindro é utilizado para cada vagão em veículos de carga. Para locomotivas e alguns tipos de carros de passageiros, cada roda tem seu próprio cilindro de acionamento. Veículos ferroviários dissipam o calor através das rodas, que o transfere por convecção em sua superfície ou por condução no contato com o trilho. O aquecimento nas rodas é a causa de diversos problemas encontrados em ferrovias de carga, tratados em fontes específicas.

Figura 6 –Freios à Tambor de Sapatas Externas para Máquinas de Elevação

2.5. Freios à Tambor com Sapatas Internas

O freio de tambor de sapatas internas é utilizado normalmente como freio trazeiro de veículos de passeio ou como freio de caminhões e ônibus. Consiste também de duas ou mais sapatas que são aplicadas contra um tambor de freios, mas na face interna deste. Para tambores cilíndricos sólidos, como o mostrado na figura 6, fica difícil imaginar como as sapatas poderiam ser aplicadas na face interna, mas se considerarmos o tambor como um anel ou um cilindro vazado as sapatas podem ser colocadas no interior ou sobre a superfície externa, causando o mesmo efeito de frenagem.

Figura 7 – Sapata e Esquema de Freios à Tambor de Sapatas Externas para Veículos Ferroviários

A figura 8 mostra um esquema simplificado deste tipo de freio. Nele são mostrados o cilindro de freio, que recebe a pressão hidráulica do sistema de acionamento; os pistões do cilindro, que se movem aplicando a sapata sobre o tambor; as sapatas, que consistem no suporte metálico (contrasapata) e na lona de freio; o tambor, que é a parte que gira do conjunto e é solidário à roda em veículos; o cabo, que serve para aplicar o freio manualmente através da alavanca do freio; e o ajustador de folga, que move a lona para mais perto do tambor conforme esta vai sendo desgastada, diminuindo o curso até a frenagem. No tipo de freio mostrado, a força gerada no cilindro hidráulico move a parte superior das sapatas, que estão ancoradas no ajustador de folga. Com essa restrição, as sapatas não se movem lateralmente, mas giram em torno do ponto de ancoragem. Fica evidente que o apoio da sapata sobre o tambor se dá principalmente na parte superior desta, fazendo com que a pressão de contato seja maior nessa região.

Figura 8 –Esquema de Freios à Tambor de Sapatas Internas para Veículos Automotivos

A figura 9 mostra um tambor de freio típico com o ajustador de folga e uma sapata mostrados em detalhe. Conforme a sapata é desgastada, a alavanca do ajustador de folga se move. A alavanca está apoiada em uma catraca que gira quando a primeira se move. Com o movimento da catraca a rosca de um parafuso espaçador também gira, distanciando o ponto de ancoragem das sapatas e fazendo com que estas fiquem mais próximas do tambor. Essa proximidade controlada é importante para que o tempo de resposta do sistema seja reduzido.

3. O Atrito

Toda vez que um corpo se movimenta, ou está na iminência de movimentar-se, pode ser observado um fenômeno que é básico para existência e sobrevivência dos seres vivos: o atrito. Eu não conseguiria escrever os rascunhos desta apostila e você não poderia segurar o papel que está lendo. Nem mesmo poderia andar ou correr.

Figura 9 –Freios à Tambor de Sapatas Internas com Detalhe do Ajustador e da Sapata

Trágico? Não: irreal! O atrito existe e suas manifestações tão naturais, como o andar, podem levar-nos a esquecê-lo, mas sua correta utilização em todas as áreas de projeto que envolvem movimento é fundamental.

Os estudiosos do assunto dividem o atrito em dois tipos básicos: estático e dinâmico. Definem também um parâmetro adimensional denominado coeficiente de atrito (estático ou dinâmico) para representar seu efeito. Este parâmetro é uma medida da resistência ao movimento de um corpo em contato com outro corpo quando ambos se movem em velocidades diferentes. Estudos demonstram que o coeficiente de atrito estático entre dois materiais é maior que o dinâmico em condições equivalentes. Ambos dependem das características dos materiais e de fatores tais como acabamento, rugosidade, lubrificação, limpeza, contaminação, etc. O coeficiente de atrito dinâmico também pode variar com a diferença de velocidade entre as superfícies, mas esta é uma característica geralmente desconsiderada nos materiais normalmente utilizados em freios, já que o este alcança um valor estável a partir de baixas velocidades.

A figura 10 mostra o comportamento real de um material de atrito que foi ensaiado em uma frenagem a partir de 128 km/h, no Lafer - Unicamp. Conforme a velocidade diminuía, aumentava o coeficiente de atrito, conforme esperado. Em baixas velocidades este coeficiente atingiu um valor cerca de 50% maior que na velocidade máxima. Trata-se de um comportamento atípico, mas serve para mostrar o que pode ocorrer em freios com materiais de atrito sem a qualidade desejada.

Figura 10 –Variação do Coeficiente de Atrito em Função da Velocidade – Lafer/Unicamp

Duas outras variáveis são importantes no estudo do coeficiente de atrito de materiais de freios e embreagens: a pressão específica e a temperatura. Estudos realizados por pesquisadores da Unicamp em sistemas de freio ferroviários e automobilísticos mostram que quanto maior a pressão específica, ou seja, a força de aplicação sobre a área do material de atrito, menor o coeficiente de atrito. Os mesmos estudos demonstraram que a temperatura também influencia no sentido de reduzir o coeficiente de atrito e isso ocorre de duas formas: simplesmente atuando sobre a propriedade ou modificando a estrutura do material para que esta fique mais dura e lisa (“fade” ou vitrificação). A segunda forma, bem mais significativa, é a principal responsável por caminhões e ônibus perderem os freios em descidas longas.

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