Apostila de freios

Apostila de freios

(Parte 1 de 3)

1. Abertura (pág.2)

2. A História dos Freios (pág.3) a. Como foram constituídos os primeiros freios b. Fundamentos de funcionamento e Leis físicas c. Dados básicos necessários para iniciar um projeto de freio

3. Tipos mais comuns de Freios de Roda (pág.18) a. Freios a Tambor b. Freios a Disco hidráulico e pneumático c. Freios a disco de alta performance d. Outros exemplos de cálculos disponíveis

4. Componentes do Sistema de Freios (pág.80) a. Discos de Freio (rotores) b. Tambores de Freio c. Cilindros, Válvulas, e Servo-Freio (Vacuum Boosters)

5. Como se faz uma Instalação Básica de Freios (pág.115) a. Uma noção rápida sobre balanceamento de freio

6. Uma passagem sobre os Recursos adicionais de frenagem (pág.144) a. Retardadores b. Freio motor c. Eletro-regenerativo

7. O desenvolvimento e a segurança a serviço da frenagem ideal (pág.157) a. ABS b. EBD c. EBA

8. O que está sendo desenvolvido hoje em termos de freios (pág.165)

9. Materiais de Fricção - Uma união entre Arte e Ciência (pág.170) a. Visão histórica b. Princípios básicos para o desenvolvimento de um material de fricção

Variáveis de projeto - O Atrito c. Composição básica de um material de fricção d. Como se produz um material de fricção

1. Abertura

O curso que agora se inicia tem como objetivo abordar um tema de engenharia de ponta extremamente fascinante, mas, por outro lado, muito complexo, pois engloba muitas variáveis de projeto que via de regra são totalmente dependentes uma das outras a ponto de pequenas alterações físicas de projeto no dimensionamento do veículo provocarem reações significativas no Sistema de Freio - esse componente tão essencial, mas muitas vezes pouco lembrado, apenas naqueles momentos cruciais pelos quais nenhum de nós gostaria de passar.

O curso foi desenvolvido para todos aqueles que não são especialistas na área de engenharia de chassis, que engloba os projetos de freios. O nome básico, entretanto, não vai desmerecer em momento algum o conteúdo do curso, que claro, não vai entrar em detalhamento de equações de projeto, mas proporcionará para os não especialistas uma visão completa sobre as principais variáveis e dados construtivos que são necessários e participam diretamente da constituição desse componente de segurança que equipa todos os veículos aéreos e terrestres pertinentes a tecnologia da mobilidade.

Além dos freios de roda, como são comumente chamados (foundation), vamos igualmente proporcionar uma visão geral sobre todos os componentes que participam concomitantemente do projeto de instalação de freio, tais como os discos e tambores de freios, cilindro de roda, cilindros mestre, servos e principalmente, uma rápida passagem sobre o desenvolvimento de materiais de fricção, parte extremamente importante desse projeto.

Espero que vocês apreciem Pedro A. Diulgheroglo.

2. A História dos Freios

2.a » Como foram constituídos os primeiros freios

“Tudo que se move tem que parar”. Iniciando com essa celebre frase, que nos remete a uma das grandes leis da física reducionista - a Lei da Inércia, veremos que um dos grandes dilemas da humanidade foi proporcionado pela invenção da roda, que segundo pesquisas arqueológicas ainda não totalmente confirmadas, remonta o ano 3.0 AC e ligam sua origem a civilização Suméria. A roda pôde igualmente ser encontrada na Mesopotâmia, junto aos Assírios, aos Egípcios, Hicsos, Romanos, entre outros.

Figura 1 - A Roda na SumériaFigura 2 - A Roda na Mesopotâmia.

Figura 3 - A Roda no limiar da história.

Se por um lado a roda veio para ajudar e facilitar a vida do homem na locomoção, no transporte de cargas e outros gêneros e ainda, propiciando uma série de outros inventos derivados que beneficiaram o desenvolvimento do nosso planeta, por outro ocasionava o paradoxo citado no início, ou seja, assim que um movimento se iniciava com a facilitação da roda, o que fazer para interrompê-lo.

Com base nesse questionamento e também em inúmeras vivências não muito satisfatórias, iniciou-se o desenvolvimento dos primeiros dispositivos de freios, que a princípio eram muito rústicos e foram criados justamente para a finalidade de auxiliar o homem nos processos de interrupção de movimento dos carros primitivos, carroças e muitos outros, chegando até os nossos veículos atuais, além, é claro, para se evitar que algum veículo se deslocasse quando estacionados em várias situações de piso. É nesse ponto que começamos nosso passeio pelo Mundo dos Freios e seus Componentes.

Os primeiros freios eram constituídos por um dispositivo mecânico simples; uma alavanca com pivotagem e uma sapata de madeira montada na outra extremidade junto à roda, proporcionava a ação de frenagem.

Depois, com o passar dos anos, vieram os freios de cinta. Usualmente eram constituídos por uma roda fixada ao centro do eixo traseiro do veículo e ao redor dela uma cinta era montada, e sob as mesmas era inserido o material atritante, que no início era o couro. Esse material apresentava problemas de perda das características de atrito em função da degradação térmica imposta pela ação de frenagem das sapatas sobre a roda. Posteriormente começou-se a utilizar crina, cabelo, ou tecido de algodão umedecido em betumem para agregar fibras e permitir melhor conformação dimensional. Mais tarde, com a fibra de asbestos, essa tecnologia foi se desenvolvendo como veremos mais adiante. O sistema de acionamento desses freios era manual e feito através de simples alavanca presa a um suporte.

Figura 4 - Freio de Cinta.

Para um freio de cinta normal a relação entre a força de atuação e a tensão na cinta é dada por Fi = T2 x b a

O torque de frenagem no freio de cinta é dado por M = (T1 - T2 ) x r A máxima tensão na cinta pode ser calculada observando-se o esquema:

A tensão máxima na cinta é dada pela fórmula T1máx = Pmáx x w x r Nomenclatura das dimensões das fórmulas:

F = Applied Force (N) P = Brake Power kW M = Torque (Nm) F i = Actuating Force (N) µ = Coefficient of Friction. θt = Total band lap angle (rad) w = Band width a = Pivot- Actuating force radius (m) b = Distance from tensioning belt to fulcrum point n = Rotational Speed (RPM) T1 = Maximum band tension(N) T2 = Minimum band tension (N) Pmáx = Maximum pressure for friction surface(N/m2)

Há que se observar que esses freios eram sistemas abertos, sujeitos a intempéries e elementos como água, barro e areia ocasionavam problemas de contaminação e a conseqüente perda de sua eficiência. Outro ponto negativo era que o esforço mecânico sobre a alavanca de acionamento era alto para o condutor, não permitindo ação de frenagem em velocidades muito altas. Outros freios muito comuns nos primórdios da indústria automobilística mundial foram os freios de transmissão (Differential Band Brake). Alguns desses freios além de serem utilizados como freio de serviço, tinham como utilização secundária o de reter o veículo, ou seja, atuarem como freio de estacionamento.

Figura 5 - Freio de diferencial. Veja alguns exemplos de aplicação de freios rudimentares:

Figura 6 - Os primeiros freios de serviço e estacionamento (sapatas de madeira).

Figura 7 - O Stephenson 1875 » Maior ônibus da época - Freios acionados por parafuso de rosca sem-fim

Figura 8 - O Benz Velo 1885 » Primeiro veículo com freio de mão tipo Band Brake

Porém, com o passar dos anos os motores foram sendo gradativamente aperfeiçoados, o que trouxe como conseqüência o incremento de velocidade dos veículos. Os freios também foram evoluindo, seguindo, claro, a mesma evolução dos veículos onde eram montados. O moderno conceito de Freio a Tambor (Drum Brake) foi oportunamente inventado em 1902 pelo francês Louis Renault, desenvolvido a partir de um sistema menos sofisticado que ele mesmo tinha montado em um veículo Mayback 1901.

Figura 9 - Louis Renault testando seu 1.o veículo » O Renault Voiturette 1898.

Nesses primeiros freios a tambor, que passaram então a serem sistemas fechados e mais limpos, mas que eram, porém, mais sujeitos a ação da temperatura, a ação das sapatas sobre o tambor era totalmente mecânica, também operada através de alavancas e hastes ou mesmo cabos (os antigos varões).

Figura 10 - Henry Ford e o seu modelo T, em 1908.

Como referência histórica e curiosidade, não podemos deixar de citar a importância do Ford modelo T no desenvolvimento da indústria automobilística, uma vez que ele foi o primeiro carro fabricado em série no mundo. O Modelo T possuía freios a tambor acionados por varão, somente no eixo traseiro, pois na época os engenheiros mecânicos acreditavam que freios nas rodas dianteiras fariam o carro capotar.

Figura 1 - Os pedais de controle do Ford T.

Em meados de 1930 os freios a tambor começaram a ser acionados por pressão de óleo através de pequenos cilindros hidráulicos ou mesmo pistões. As sapatas tinham que ser ajustadas com muita freqüência em função do desgaste do material de fricção, porém os primeiros reguladores automáticos surgiram somente no ano de 1950.

Entretanto, o grande salto na tecnologia de freios foi dado no início de 1900, quando então em 1902 o inventor inglês Frederick Lanchester (também conhecido como “O Leonardo" da era da máquina) inventou o Freio a Disco. Segundo pesquisas efetuadas em sites especializados, os freios a disco já eram utilizados na Inglaterra no início de 1890, porém foi Frederick Lanchester que patenteou o projeto desse freio e o aplicou em seu primeiro veículo.

Figura 12 - O Lanchester modelo 1910 » Motor de 20 HP e Freio a Disco traseiro.

Mas de onde será que foi tirado o primeiro conceito de Freio a Disco, que ganhou fama graças a uma espetacular vitória da Jaguar sob seus concorrentes nas 24 horas de Le Mans de 1955, e passou a virar item de série nos carros de rua na década de 60?

Foi da Bicicleta! Sim, após várias pesquisas conseguimos obter dados que confirmam e descrevem essa afirmação. Leonardo Da Vinci foi sem dúvida o grande precursor da invenção da bicicleta, conforme desenhos retirados de suas anotações, isso por volta de 1490. Esse primeiro conceito nunca foi construído, porém serviu de inspiração para as bicicletas que surgiriam vários anos depois.

Figura 13 - O esboço da bicicleta por Leonardo Da Vinci em 1490.

Da Vinci introduziu igualmente outros conceitos importantes, mas que seriam adotados em veículos somente em 1885, como por exemplo, a tração por correntes. Por volta de 1791 o Conde Mede de Sivrac construiu um modelo de bicicleta, que era acionada pelo movimento dos pés, e ela não possuía freio nem mudava de direção.

Porém, foi em 1817 que o alemão Karl Friedrich Drais Von Sauerbronn criou sua Laufmaschine (Máquina de Correr), e foi com esse projeto que ele introduziu o conceito de freio na roda traseira, que era acionado puxando-se uma corda de couro amarrada à plataforma de apoio dos braços (w.rodasdotempo.com.br).

Figura 14 - Karl Friedrich Drais Von Sauerbronn e sua Draisine.

Informações históricas (obtidas no site da National Bicycle History Archive of America) garantem que o Freio a Disco foi originalmente idealizado para bicicletas em 1876 pelos Ingleses Browett & Harrison. O sistema, que foi patenteado e chamado de Caliper Brake, proporcionava uma frenagem efetiva em velocidades mais altas.

Esse sistema utilizava um mecanismo simples em balanço que operava as sapatas de freio montadas em cada lado do aro da roda.

Figura 15 - Exemplo de Caliper Brake por Browett & Harrison.

Dá para imaginar o que foi desenvolvido a partir do Caliper Brake de Browett & Harrison; “O nosso conhecido Freio a Disco”.

Figura 16 - Evolução do Freio a Disco segundo ilustração elaborada pela TRW® em sua apostila de freios

2.b » Fundamentos de funcionamento e Leis físicas

Nesse ponto do curso descreveremos de maneira bem sucinta os fundamentos de funcionamento dos freios. Mas antes de iniciarmos, efetivei algumas consultas há várias definições e cheguei a uma conclusão bem simples;

“Freios são dispositivos que foram desenvolvidos para permitir o controle do movimento de rotação da roda de um veículo, de uma máquina ou equipamento, de modo a retardar ou mesmo interromper esse movimento e também impedir que o movimento seja reiniciado”.

E em termos de leis físicas, como é que os freios executam esse controle? Os Freios, ao atuarem, efetuam esse controle através da transformação da energia cinética do veículo, ou seja, a energia do veículo devida ao movimento, em energia térmica, que é dissipada na forma de calor. (veja filme do teste de freio do A380-800 no YouTube)

Figura 17 - Ensaio de freio a disco em dinamômetro inercial.

Para termos uma noção do trabalho a ser efetivado pelo freio quando um veículo em movimento é freado, vamos primeiramente lembrar do princípio da Inércia, ou melhor;

F = M x a onde, M = massa do veículo em Kgf a = desaceleração imposta em m/s²

Todo veículo em movimento possui uma inércia determinada pela 1.a lei de Newton. Se esse veículo sofre uma desaceleração brusca, ou seja, efetua-se uma frenagem de emergência, a inércia será proporcionalmente maior, segundo a massa do veículo, ou a desaceleração imposta ao mesmo. Isso logicamente explica a influência do peso transportado pelo veículo sobre os freios. Ao observarmos a fórmula da energia cinética, veremos também a real importância da velocidade na transformação de energia cinética em térmica, ou seja, ao duplicarmos a velocidade de um veículo ao ser freado, quadruplicaremos a energia cinética a ser dissipada em calor.

Ec = ½ m x V² onde, m = massa do veículo em (Kgf) V = Velocidade do Veículo em (Km/h)

E como é que o Freio executa todas essas tarefas? Os freios de um veículo, que atualmente são encontrados em duas configurações (detalhes serão vistos mais adiante), ou seja, freio a disco e freio a tambor, são mecanismos que propiciam essa transformação de energia cinética em energia térmica, através do atrito induzido mecânica, hidráulica ou pneumaticamente aos pares de contato Pastilha X Disco, ou Lona X Tambor.

Figura 18 - Freio a DiscoFigura 19 - Freio a Tambor.

Esses freios são acoplados às rodas do veículo. Assim, a partir do atrito da pastilha de freio com o disco de freio, e da lona de freio com o tambor de freio, ocorre o retardamento ou mesmo a interrupção do movimento do disco e do tambor de freio. Mas não para por aí. Essa á a primeira parte da ação de frenagem. Após a diminuição ou interrupção do movimento do disco e do tambor, o atrito dos pneus com o solo diminuem ou interrompem a velocidade do veículo. Entendido? Por isso que no projeto de um freio é tão importante o conhecimento do coeficiente de aderência pneu x solo, e do coeficiente de atrito pastilha x disco ou lona x tambor.

2.c » Dados básicos necessários para iniciarmos um projeto de freio

Para que possamos desenvolver um bom projeto de freio precisamos conhecer uma série de dados construtivos do veículo, ao qual os freios serão empregados. No caso de atualizações de freio em veículos de série a tarefa é mais simples, pois esses dados construtivos já são conhecidos. Porém, nos casos de veículos em desenvolvimento, essa aquisição pode ser um pouco mais complexa.

Hoje em dia os grandes fabricantes de freios possuem softwares especialmente desenvolvidos para efetivar com precisão os cálculos iniciais de freios e a seleção prévia do melhor sistema. Em todo caso, explicaremos rapidamente os dados básicos que se fazem necessários para iniciarmos a seleção de um sistema de freios. Vamos analisar preliminarmente a instalação de freios para um veículo de passeio, um comercial leve ou SUVs, mesmo porque, guardada as devidas proporções, os veículos comerciais levam em consideração os mesmos dados para essa seleção prévia, com exceção dos tipos de freios aplicados, que são a tambor com atuação pneumática em 95% dos casos, e freios a disco em 2 ou 4 rodas, em montagens mais recentes. Grande parte da instalação de freios em veículos de passeio utiliza o recurso de freios a disco no eixo dianteiro, e freios a tambor no eixo traseiro. Esse número no Brasil é cerca de 90% da produção anual. Para que possamos iniciar o projeto de seleção, precisamos obter do fabricante do veículo os dados construtivos do mesmo, ou, como demonstrado abaixo;

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