Seleção de Materias para freio a disco automotivo

Seleção de Materias para freio a disco automotivo

(Parte 1 de 5)

ALFREDO GAY NETO nº USP: 3729314 MARCELO LINDENBERG GRAVINA nº USP: 3729888 RAFAEL ANTONIO BRUNO nº USP: 3728831 RENE NOGUEIRA TING nº USP: 3730208 TALES ADRIANO FERREIRA nº USP: 3752422 THOMAS LUDI FARINA MORENO nº USP: 3729151 TIAGO MARQUES LOPES nº USP: 3729248 VALTER UNTERBERGER FILHO nº USP: 3528522 VINÍCIUS LOPES DOS SANTOS nº USP: 3725672

Trabalho da disciplina PME 2380 – Propriedades e Seleção de Materiais para Engenharia Mecânica

SÃO PAULO 2004

ALFREDO GAY NETO nº USP: 3729314 MARCELO LINDENBERG GRAVINA nº USP: 3729888 RAFAEL ANTONIO BRUNO nº USP: 3728831 RENE NOGUEIRA TING nº USP: 3730208 TALES ADRIANO FERREIRA nº USP: 3752422 THOMAS LUDI FARINA MORENO nº USP: 3729151 TIAGO MARQUES LOPES nº USP: 3729248 VALTER UNTERBERGER FILHO nº USP: 3528522 VINÍCIUS LOPES DOS SANTOS nº USP: 3725672

Trabalho da disciplina PME 2380 – Propriedades e Seleção de Materiais para Engenharia Mecânica

Área de Concentração: Engenharia Mecânica

Orientador: Prof. Dr. Deniol Katsuki Tanaka

SÃO PAULO 2004

O presente trabalho reúne elementos indispensáveis para o entendimento do mecanismo de funcionamento de um sistema de freios automotivo. Suas particularidades, efeitos e propriedades importantes, histórico de desenvolvimento e tipos de sistema em uso na atualidade também constituem tópicos amplamente abordados. Numa segunda etapa, é feita uma análise, sob a ótica da seleção de materiais, do sistema de freios a disco, culminando com a escolha do melhor material para o sistema a partir de cartas de seleção de material e de documentos que abordam resultados experimentais de materiais atualmente empregados na construção de um sistema de freios a disco automotivo.

This work combines elements indispensable for the understanding of the working mechanisms of automotive braking systems. Its particularities, important effects and properties, brief historical development and different kinds of systems in use nowadays are some of the most important issues discussed. In a second phase, this work presents an analysis, under the aspects of material selection, of the disc brake system, ending with the choice of the best material for a disc brake, based on material selection charts and papers which contain experimental results of tests with the most used materials for building an automotive disk brake system.

1. INTRODUÇÃO01
2. HISTÓRICO02
2.1 Os Sistemas02
2.2 Os Materiais03
3. PROPRIEDADES IMPORTANTES DE UM SISTEMA DE FREIO05
3.1 Atrito05
3.1.1. Tribologia em Freios06
3.1.3. Materiais para Construção de Pastilhas de Freio12
3.2. Propriedades Térmicas13
3.3. Resistência ao Desgaste19
3.3.1. O Desgaste em Discos de Freio23
3.3.2. Ensaio do Desgaste em Discos de Freio24
3.4 Vibrações26
3.5 Ruído28
3.6 Resistência Térmica e Mecânica29
3.7. Fatores Externos32
3.7.1. Sensibilidade ao Meio-Ambiente32
3.7.2. Condições de Operação3
3.7.2.1. “Fade” e Recuperação3
3.7.2.2. “Green Effectiveness”34
3.7.2.3. Sensibilidade à Velocidade34
4. SISTEMAS DE FREIO AUTOMOTIVO35
4.1. Freio a Disco35
4.1.1. Componentes35
4.1.2. Mecanismo e Funcionamento37
4.2. Freio a Tambor37

RESUMO ABSTRACT 3.1.2. Atrito em Feios - Modelos e Observações Experimentais 09 4.2.1. Principais Componentes.............................................. 38

4.2.1.2. Lona e Sapata39
4.2.1.3. Cilindro de Roda40
4.2.1.4. Molas de Retorno40
4.2.1.5. Sistema de Ajuste Automático40
4.3. Freio ABS40
4.4. Comparação entre os Sistemas de Freio Automotivos41
5. SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA O FREIO A DISCO43
5.1. Resistência Mecânica43
5.1.1 Índice de Desempenho43
5.1.2 Seleção de Materiais45
5.2 Fadiga Térmica46
5.2.1 Índice de Desempenho46
5.2.2 Seleção de Materiais48
5.3. Atrito49
5.4. Propriedades Térmicas50
5.5. Resistência ao Desgaste52
5.6. O Melhor Material para o Freio a Disco52
7. CONCLUSÃO54

4.2.1.1. Tambor......................................................... 38 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................... 5

Freio01
Figura 2.1 - Esquema Simplificado de um Freio a Disco02

Figura 1.1 - Fatores Mecânicos e Tribológicos Importantes para o Projeto do

Mecânicas do Material do Sistema de Freios04
Figura 3.1.1 – Diferentes Níveis de Imperfeição de Superfícies06
Figura 3.1.2 – Rugosidade Superficial de uma Pastilha de Freio07

Figura 2.3 - Aumento da Importância ao Longo do Tempo de Propriedades

Área08

Figura 3.1.3 – Ilustração do Mecanismo de Contato Rápido com Variação de Figura 3.1.4 – Variação do Coeficiente de Atrito Segundo Freadas Seqüenciais 09 Figura 3.1.5 – Coeficiente de Atrito em Função da Temperatura de Frenagem 10

Contato e Velocidade de Deslizamento Constantes1

Figura 3.1.6 – Variação do Coeficiente de Atrito Enquanto se Freia com Pressão de

Compósito12

Figura 3.1.7 – Efeito da Pressão de Contato no Atrito de um Freio de Material

Alumínio em Material para Freio Prensado e Sinterizado12

Figura 3.1.8 – Efeitos no Coeficiente de Atrito Provocados pela Adição de Silício e

Raios Infra-vermelhos15
Figura 3.2.2 – Curva de Resfriamento por Convecção17
Figura 3.2.3 – Coeficiente de Transferência de Calor por Radiação17

Figura 3.2.1 – Ilustração da Distribuição de Temperaturas Feita com uma Câmera de

Calor a 600ºC18

Figura 3.2.4 – Dissipação de Calor por Cada um dos Modos de Transferência de Figura 3.2.5 – Exemplos da Construção de Diferentes Discos de Freio....... 18

Destruição das Camadas Oxidadas e Formação de Novas Ilhas19

Figura 3.3.1 – a) Formação de Ilhas de Óxido; b) e c) Crescimento das Ilhas; d) Figura 3.3.2 - a) Desgaste Abrasivo a Dois Corpos; b) Desgaste a Três Corpos 20

Materiais20

Figura 3.3.3 – Interações Físicas entre as Partículas Abrasivas e as Superfícies dos

Função do Ângulo de Ataque21
Figura 3.3.5 – Formação de Trinca Propagando-se Paralela à Superfície21
Figura 3.3.6 – Representação da Máquina de Ensaio dos Discos24
Figura 3.3.7 – Desgaste dos Discos com Relação ao Tempo25
Figura 3.3.8 – Desgaste do Pino em Relação ao Tempo25
Figura 3.3.9 – Detritos do Pino Aderidos à Superfície Desgastada26
Figura 3.3.1 – Riscos Profundos nas Superfícies Desgastadas26
Figura 3.4.1 – Holografia de um Sistema de Freios27
Figura 3.5.1 – Foto de um Equipamento de Teste28
Figura 3.5.2 – Resultado Demonstrativo de um Teste de Ruído28
Figura 3.6.1 – Distribuição de Temperaturas no Disco no Tempo29

Figura 3.3.4 – Mudança do Tipo de Mecanismo de Desgaste e Taxa de Desgaste em Figura 3.3.10 – Lamelas de Grafita Funcionam como Depósitos de Detritos 26

Irradiação29

Figura 3.6.2 – Disco de Freio em Processo de Dissipação de Energia por

de Frenagens30
Figura 3.6.4 – Formação de Trincas Devido às Tensões Térmicas30
Figura 3.6.5 – Disco de Freio Frontal de uma Pickup Ford F-25031
Figura 3.6.6 – Curva S-N31

Figura 3.6.3 – Temperatura na Espessura no Disco de Freio em Função do Número Figura 3.7.1 – Efeito da Elevação da Temperatura no Coeficiente de Atrito 3

Figura 4.2 - Pastilhas36
Figura 4.3 - Discos36
Figura 4.4 - Esquema de Pinça37
Figura 4.5 - Esquema do Mecanismo do Freio a Disco37
Figura 4.6 - Mecanismo do Freio de Mão38
Figura 4.7 - Freio a Tambor com o Tambor Montado38
Figura 4.8 - Perspectiva Explodida do Mecanismo de Freio a Tambor39
Figura 4.9 - Conjunto Lona/Sapata39
Figura 4.10 - Exemplos de Cilindros de Roda40
Figura 5.1.1 - Diagrama de Corpo Livre de uma Roda (Rotor + Pneu)43

Figura 4.1 - Cilindro Mestre e Reservatório................................................. 35

Densidade)45
Figura 5.2.1 - Conjunto Disco-Cubo; Diagramas de Corpo Livre47

Figura 5.1.2 - Carta de Seleção de Materiais (Módulo de Tenacidade em Função da

Expansão Térmica)48

Figura 5.2.2 - Carta de Seleção de Materiais (Tensão Normalizada X Coeficiente de

térmica)50

Figura 5.4.1 - Carta de seleção de materiais (Condutividade térmica X Difusibilidade

Figura 5.4.2 - Carta de seleção de materiais (Coeficiente de dilatação térmica X Condutividade térmica)................................................................................. 51

Tabela 3.1 – Composição Química dos “Plateaus”07
Tabela 5.1 – Características para Obtenção do Índice de Desempenho4
Tabela 5.2 – Características para Obtenção do Índice de Desempenho46

LISTA DE TABELAS Tabela 5.3 – Matriz de Decisão.................................................................... 53

1. INTRODUÇÃO

Henry Ford, ao introduzir o seu famoso modelo “Ford T”, em 1908, revolucionou a indústria automobilística. Não pelas tecnologias inovadoras empregadas em seu carro, mas sim pela maneira de produção: o Ford T foi o primeiro carro desenvolvido para a produção em massa, mudando, para sempre, a forma de produção nas indústrias de todo o mundo. O Ford T pesava 550 kg, possuía um motor de 20 HP e uma velocidade máxima de aproximadamente 65km/h.

Em 1991, a Mercedes-Benz introduziu seu modelo “Série 600”. Os Série 600 pesavam mais de 2 toneladas, possuíam um motor de 400 HP e uma velocidade máxima limitada eletronicamente em 250 km/h por motivos de segurança. Constatase, portanto, que a máxima energia cinética desenvolvida por um automóvel aumentou 54 vezes em 83 anos [ERIKSSON, 2000].

Com toda essa evolução, tornou-se importante desenvolver cada vez mais o sistema de freios automotivo. Apropriadamente, isto tem sido feito através do aumento do “poder de frenagem” e da confiabilidade do sistema [KINKAID, 2003]. Assim, há alguns requerimentos que o sistema deve preencher e constantemente aprimorar. Tais requerimentos são a resistência ao desgaste, resistência a trincas formadas pelo calor, capacidade de abafamento sonora, capacidade de suportar outras forças que não as resultantes da frenagem, boa usinabilidade, amortecimento das vibrações internas do sistema e, principalmente, uma alta eficiência de frenagem [JIMBO, 1990].

Há diferentes sistemas de freio automotivos. Hoje em dia, são utilizados os sistemas de freio a tambor (principalmente em veículos de grande porte, como caminhões e ônibus) e freio a disco (em veículos menores, como carros) [ERIKSSON, 2000].

Figura 1.1: Fatores Mecânicos e Tribológicos Importantes para o Projeto do Freio (onde E=Ecology, W=Wear, C=Cost,

P=Performance, NVH=Natural Vibration Harshness). [BRECHT, 2003]

2. HISTÓRICO 2.1. Os Sistemas

No início do século X, o engenheiro britânico William Lanchester (1868-1946) patenteou um sistema de freio a disco. Na patente, Lanchester o descreveu consistindo de um disco de metal rigidamente conectado a uma das rodas traseiras de um veículo. Para frear o veículo, o disco seria apertado em sua borda por um par de garras.

Discos de freio como os conhecemos foram primeiramente utilizados em 1951 pelos irmãos Conze, na famosa corrida das 500 milhas de Indianápolis, nos EUA [MACNAUGHTON, 1998]. É importante ressaltar que a utilização de categorias de competição automobilística para o desenvolvimento de novas tecnologias é uma prática comum na indústria.

Até os anos 70, os automóveis nos Estados Unidos eram equipados com freios a tambor nas rodas dianteiras. A maior parte dos tambores nesses sistemas era de ferro fundido ou de uma liga de alumínio em uma matriz de ferro fundido [MACNAUGHTON, 1998].

A introdução da Legislação para Segurança de Veículos Motores (Federal Motor Vehicle Safety Standard, FMVSS), que impôs padrões mais severos em relação à distância de frenagem e ao desgaste de freios, fez com que o sistema de freios utilizado (os freios dianteiros) correspondessem a cerca de 75% da potência de frenagem. Isso fez com que os freios dianteiros fossem considerados cruciais para atender a FMVSS, o que contribuiu para a difusão do sistema de freios a disco pelas principais indústrias automobilísticas, primeiro americanas, depois mundiais [KINKAID, 2003].

Os sistemas de freio modernos possuem importantes características de projeto: a força aplicada no pedal é diretamente proporcional à força de frenagem; convertem grandes quantidades de energia em calor; o sistema deve ser auto-ajustável, isto é,

Figura 2.1: Esquema Simplificado de um Freio a Disco. [KINKAID, 2003] não deve necessitar de ajustes periódicos de partes mecânicas; o sistema deve ser fácil de controlar e ter uma manutenção simples. Tais características são mais bem atendidas nos freios a disco que nos freios a tambor, pois os primeiros, além dos fatores anteriormente mencionados, ainda possuem menor distância de frenagem, alto torque resistivo, melhor resistência à fadiga térmica e tamanho e peso menores.

O sistema ABS (Anti-lock Braking System) é considerado o maior avanço em sistemas de frenagem automotiva desde o advento dos sistemas hidráulicos [RINEK, 1995]. Basicamente, o sistema consiste em um mecanismo que impede o travamento das rodas ao se acionar o freio, não permitindo derrapagem na frenagem.

A tecnologia nasceu na indústria ferroviária, no início do século X, progredindo para os automóveis (em estágio conceitual) em 1936. Entretanto, os primeiros sistemas ABS possuíam desempenho limitado, confiabilidade menor do que o desejável e custos relativamente altos, o que significou o abandono temporário da tecnologia. Em 1979, engenheiros da Bosch e da Mercedes-Benz introduziram um sistema de freios ABS confiável, completamente digital e eletrônico.

Todos os sistemas que existem atualmente derivaram desse modelo, o que popularizou e barateou a tecnologia. Atualmente, os ABS eletrônicos dependem de sensores de relutância variável em cada roda, montados próximos a um anel dentado rotativo, que alimenta ondas senoidais de freqüência e amplitude variáveis para o computador, que por sua vez calcula a velocidade e aceleração da roda. Inúmeros algoritmos são empregados para determinar se uma ou mais rodas desaceleraram rápido demais (o que caracteriza o travamento), o que comanda a o aumento ou decréscimo da pressão dos freios na forma de pulsos [RINEK, 1995]. 2.2 Os Materiais

Nos primeiros sistemas de freio, as superfícies de desgaste não recebiam muita atenção em termos de engenharia. Utilizavam-se couro, madeira e materiais tecidos emborrachados [RINEK, 1995]. Tendo-se em vista que as velocidades desenvolvidas eram menores, tais materiais preenchiam os requerimentos de maneira satisfatória.

Conforme os carros foram evoluindo, foi necessário melhorar a vida e a performance dos revestimentos de freios. Isso requeria materiais com maior resistência ao calor. Em 1923, químicos descobriram as propriedades de materiais reforçados com fibras de amianto, unidos por resinas orgânicas. Entretanto, o amianto, um silicato de cálcio e magnésio, não-combustível e fibroso, provou possuir propriedades cancerígenas, tendo seu uso sido banido nos EUA em 1993 [RINEK, 1995].

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