apostila freio, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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Introdução a

Freios

Automotivos

Guilherme Rossi Zangarini

FEM – UNICAMP – 2006

Índice

1. História dos Freios

Os primeiros sistemas eram muito precários em relação aos atuais, que em compensação são muito mais complexos. Séculos atrás, quando surgiram as primeiras bicicletas, o método utilizado para frear era colocando o calçado entre o garfo e a roda. Em 1838, Kirkpatrick Macmillan , um ferreiro escocês, criou o conceito de pinçar contra a roda – spoon brake – onde a alavanca exercia compressão em um bloco de madeira com eventuais tiras de couro contra o pneu da bicicleta, atualmente é contra o aro. Os primeiros veículos utilizavam este conceito, com variações de como colocar o bloco em contato com as roldanas de transmissão. Porém havia problemas, pois o atrito era concentrado em uma pequena superfície, forçando a roda ou as roldanas e retardando em muito a parada do veículo. Os sistemas seguintes a surgir eram externos, envolvendo os cubos de roda com correias ou cabos de aço, com ou sem blocos de atrito, aumentando a área de contato. Em meados de 1900, uma significativa melhora foi introduzida pelo francês Louis Renault , o freio a tambor por expansão interna, ainda usado atualmente. Inicialmente, os tambores eram de aço estampado (havia problemas de flexão e alto nível de ruído), pequenos e as sapatas eram de ferro. Rapidamente o material passou a ser aço fundido. Herbert Frood e Ferodo , ingleses, foram os primeiros a estudar os materiais de atrito sendo responsáveis pela sua evolução. Em 1908, eles apresentaram um material contendo resina, impregnado de amianto e reforçado com arames de latão,

melhorando significativamente o desempenho em frenagem. Os primeiros carros só tinham freios traseiros, pois se acreditava que freios dianteiros causariam instabilidade e desvio. Mas na verdade ocorre o oposto e na década de 1920 surgem freios nas quatro rodas. Também nesta época surgiram vários dispositivos para ampliar e assistir a força muscular do condutor para acionar os freios. Dentre elas, surgiu a idéia de assistência gerada pelo vácuo do motor, utilizada atualmente. Além disso, foi montado os primeiros carros com assistência hidráulica em 1921 pela Dusenberg e depois pela Chrysler. Os freios a tambores apesar de serem revolucionários, tinham problemas com a dissipação de calor em altas velocidades e perda de eficiência em poças de água. Assim, surgem os freios a discos montados inicialmente no Crosley em 1948. Seu conceito inicial foi idealizado em meados de 1890, e em 1898, umas das primeiras versões foram utilizadas por Elmer Ambrose Sperry num carro elétrico onde a pastilha era forçada contra o disco por meio eletromagnético. Os carros ingleses e franceses começaram a serem produzidos com discos de freio em escala industrial nos anos de 1950 e os americanos em 1960. A atual combinação de discos na dianteira e tambores na traseira trouxe melhorias para o desempenho da frenagem e foi seguida de um dispositivo para controlar de modo variável a pressão exercida nos freios traseiros de acordo com a distancia entre chassi e eixo. Este conceito, denominado de válvula sensível a carga, foi introduzido nos anos de 1970 pela Fiat.

2. Introdução

Freios automotivos possuem três funções básicas: parar o carro rapidamente, fazer com que fique estacionado na ausência do condutor e diminuir/manter constante a velocidade num declive. O funcionamento do freio hidráulico tem por base a aplicação da "Lei de Pascal". O motor desenvolve uma potência que leva o veículo do estado de repouso até a respectiva velocidade. Essa potência precisa ser transformada quando se deseja diminuir a velocidade do veículo ou pará-lo totalmente, tarefa que cabe ao freio. O freio atua no sentido de transformar a energia cinética do veículo em calor, através do atrito.

Figura 2 – Transferência de peso durante a frenagem.

Cerca de 70% do poder de frenagem está concentrado nos freios dianteiros, o que submete o sistema a temperatura e esforços extremos. Alguns sistemas têm uma estrutura ventilada para permitir o melhor resfriamento do sistema. No sistema traseiro o esforço é menor, mas, no entanto, alguns componentes são mais sensíveis e suscetíveis à falhas.

Figura 3 – Esquema de freio geralmente utilizado num veículo.

servo freio utiliza como fonte de energia o vácuo existente na admissão do motor. Resumindo temos o quadro abaixo:

Cilindro Mestre: Cilindro Mestre é acionado através do pedal de freio do veículo, cuja função é transmitir pressão hidráulica para acionar as pastilhas contra o disco e parar as rodas do veículo. Servofreio: O Servofreio é um equipamento destinado ao motorista para um maior conforto no acionamento do pedal de freio, podemos dizer que o Servofreio é um multiplicador de forças. Ele se ultiliza da pressão atmosférica combinada com o vácuo gerado pelo motor. Válvulas Equalizadoras de Pressão: Atuam como reguladoras de pressão entre as rodas dianteiras e traseiras. São as responsáveis pelo equilíbrio do veículo no momento da frenagem. Cilindro de Roda: Sua função é transformar a pressão vinda do cilindro mestre através do fluído em força mecânica aplicada sobre as sapatas de freio. Freio a Disco: Para proporcionar uma melhor frenagem foi desenvolvido o Sistema de Freio a Disco onde os principais componentes são: Disco, Conjunto de Pinça e Pastilha. Freio a Tambor: A dois tipos: Simplex e Duo-servo. O tambor faz atrito com as lonas no momento da frenagem.

Fluido de Freio Responsável pela transmissão de pressão gerada no cilindro mestre para os freios das rodas. Sistema ABS: Com esse sistema se obtém algumas vantagens como: Melhor dirigibilidade - controle sobre as rodas dianteiras; Melhor estabilidade - controle sobre as rodas traseiras; Menores distâncias de paradas no ato da frenagem. Material de Fricção Geram atrito suficiente para diminuir ou parar a roda de um veículo.

relações de comprimento ao invés disso, fossem de 3 para 1, a força aplicada ao lado maior, seria 3 vezes maior do outro lado e, assim sucessivamente. Porém mesmo usando uma alavanca no pedal de freio, o tamanho da alavanca teria que ser muito grande. Outro inconveniente vem do fato que o curso seria igualmente grande para gerar a força necessária a frenagem adequada do veículo, já que o deslocamento do lado mais longo é tantas vezes maior que o presente do outro lado, quantas vezes um braço é maior que o outro.

3.2. Principio de Pascal

Como a “alavancagem” não gera sozinha a força necessária, este princípio é usado de forma a multiplicar a força obtida pela aplicação do primeiro. A pressão do fluido é a mesma em todo o sistema. Sabemos que os automóveis utilizam fluido no seu sistema de freios. Sua utilização vem sendo pesquisada e aperfeiçoada desde que o Blaise Pascal , filósofo, físico e matemático francês, nascido em 19 de junho de 1623, estudou pressões hidráulicas e descobriu fundamentos importantíssimos, denominados "LEIS DE PASCAL". Uma destas leis diz o seguinte: "A pressão exercida sobre um líquido em câmara selada transmite-se por igual em todas as direções”.

Figura 5 – Esquema demonstrativo o Princípio de Pascal.

Imagine dois tubos preenchidos de um líquido pouco compressível (como óleo), em que o primeiro tenha 2 cm de diâmetro e o segundo, 6 cm de diâmetro e unidos pela sua base como aparece na animação a seguir. Este princípio nos garante que uma força aplicada em um ponto de um líquido incompressível (em geral óleos no caso dos freios) se transmite aos todos pontos do fluído. Desta forma, no nosso exemplo - onde os êmbolos apresentam uma relação onde o segundo tem uma área nove vezes maior (Área = Pi*r²) do que o primeiro - se aplicarmos uma força de 100 KGF (cem kilogramas-força, ou a força exercida por um objeto de 100 kg) ao lado esquerdo, seremos capazes de fazer mover um corpo de 900 kg no êmbolo da direita. Este mesmo princípio é utilizado nos macacos hidráulicos.

3.3. Atrito Estático e Atrito Dinâmico

É mais fácil um objeto continuar o seu movimento, do que iniciá-lo. O atrito não é o mesmo, quando as

não é realizável principalmente pelo ponto máximo da curva de aderência não ser estável, pois a escorregamento relativo pneu-solo.

3.5. Esquema simplificado de freio

Com os conceitos acima ficou claro como que a Física consegue ajudar a produzir a força necessária para fazer o carro parar. Combinado as partes 3.1 e 3. surge o exemplo abaixo:

Figura 6 – Esquema simplificado de freio.

No esquema da figura 6, uma vez que se pressione o pedal do freio, ele faz funcionar um esquema de “alavanca” com uma relação de 4 para 1. Simultaneamente aciona-se também o êmbolo do cilindro mestre (burrinho) que possui uma relação de área de 1 para 9 em relação ao pistão do freio, como na ilustração acima. Desta forma, para cada 1 kgf aplicado ao pedal, teremos 36 kgf aplicados sobre o disco de freio, uma multiplicação de força considerável, se pensarmos que com um sistema destes, com apenas 2 kgf, é possível obter força necessária para levantar um adulto médio. Obviamente este é um esquema bem simples, mas que ilustra bem o funcionamento da maior parte dos sistemas de freio convencionais utilizados atualmente. Peças adicionais, como válvulas e servos, além de outros, fazem parte do conjunto a fim de garantir um perfeito funcionamento e maior eficiência do sistema.