UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE ABAETETUBA
FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
DISCIPLINA: ELEMENTOS DE MÁQUINAS
DOCENTE: Dr. MARCELO O. SILVA
EMBREAGENS, FREIOS E ACOPLAMENTOS
ABAETETUBA – PARÁ
2013
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Embreagens, freios e acoplamentos, Notas de estudo de Engenharia Industrial
Material sobre embreagens, freios e acoplamentos
Tipologia: Notas de estudo
2013
1 / 32
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE ABAETETUBA
FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
DISCIPLINA: ELEMENTOS DE MÁQUINAS
DOCENTE: Dr. MARCELO O. SILVA
EMBREAGENS, FREIOS E ACOPLAMENTOS
ABAETETUBA – PARÁ
ANA PAULA DE SOUZA E SILVA
CINTHYA ELLEN PEREIRA DE LIMA
ESMERALDA RIBEIRO RIBEIRO
JONILDO PINHEIRO ALEXANDRE JÚNIOR
MARLON VINÍCIOS SILVA REIS
RODRIGO DE ALMEIDA ALFAIA
EMBREAGENS, FREIOS E ACOPLAMENTOS
Trabalho solicitado para obtenção de conceito na disciplina de Elementos de máquinas, ministrada pelo docente Dr. Marcelo Silva à turma de Engenharia Industrial 2011.
ABAETETUBA – PARÁ
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 escorreguem 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 enquanto 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 primeiras 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 súbito 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
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.
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 (α). 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.
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 Ventilado (à direita)
2.4 - Freios à Tambor com Sapatas Externas A figura 6 mostra o tipo mais comum de freio de tambor de sapatas externas. É utilizado em máquinas de elevação, tais como pontes rolantes, elevadores, gruas, etc... Normalmente é composto de duas sapatas simetricamente dispostas em torno de um tambor, que é ligado a carga a ser freada. 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.
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.
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.
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.
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. Para o projeto de sistemas de freios, é usual considerar o atrito dinâmico que, por ser menor que o estático, permite o dimensionamento em favor da segurança.
uma pressão entre as superfícies e o acoplamento começa transmitir torque. Dois modelos são utilizados no dimensionamento do acoplamento: pressão uniformemente distribuída e desgaste uniforme. Na figura podem ser vistos o raio interno do material de fricção r i , o raio externo r 0 , e um elemento na forma de anel com espessura radial d r. Quando a parte da direita do acoplamento se move para a esquerda, o disco movido entra em contato com o material de atrito (ou fricção) do disco do motor. Em função do esforço aplicado, surge uma pressão entre as superfícies e o acoplamento começa transmitir torque. Dois modelos são utilizados no dimensionamento do acoplamento: pressão uniformemente distribuída e desgaste uniforme.
A força total utilizada no acoplamento pode ser calculada somando-se a contribuição de cada elemento, conforme:
Da mesma forma, a contribuição de torque de cada elementos é dada por:
A contribuição total dos elementos para o torque é dada por:
Quando consideramos mais de uma superfície de atrito, o torque disponível no acoplamento deve ser calculado multiplicando-se o torque da equação 4 pelo número de superfícies em contato N. Incluindo esse valor e substituindo o resultado da força obtido na equação 2 na equação 4, o torque pode ser calculado por:
4.1.2 - Modelagem por Desgaste Uniforme O mesmo tipo de análise pode ser feita considerando o desgaste uniforme em toda a superfície de contato. Esse é o caso de acoplamentos usados e é o que melhor se aplica na previsão do que acontece na prática. Na realidade, como o desgaste é proporcional ao trabalho de atrito executado e esse é proporcional à força de atrito e à distância circunferencial percorrida, o desgaste acaba sendo função dessa distância. Como a distância percorrida é função do raio, o desgaste na região mais externa é maior do que na região mais interna, se a pressão for a mesma. Assim, um acoplamento novo começa a ser desgastado na superfície logo que se acopla pela primeira vez, alterando a distribuição de pressão superficial. Conforme o desgaste aumenta, um disco apoia no outro de maneira diferente, desgastando mais em algumas regiões. O formato da superfícies no contato tenderá àquele que permitirá o desgaste uniforme e o modelo que o representa será válido. É importante destacar que ambos os modelos são válidos, e existem momentos em que nenhum é valido, mas o por desgaste uniforme representa melhor o que acontece porque os materiais de atrito trabalham muito pouco tempo com pressão constante.
O desgaste é proporcional ao trabalho de atrito, que pode ser calculado pelo produto da força de atrito pela distância percorrida. Como primeira variável é proporcional à pressão superficial enquanto que a segunda é proporcional à posição radial, o desgaste é proporcional ao produto da pressão p e do raio r. Assim, esse produto pode ser substituído na equação 3 pelo produto dessas variáveis em qualquer ponto. Como o produto é constante, a pressão é máxima ( pmáx ) quando o raio é mínimo (r i ) e a equação 3 fica:
Da mesma forma, a equação para o torque fica:
Com a substituição do valor de pressão máxima da equação 6 na equação para o cálculo do torque, incluindo o número de superfícies em contato, obtém-se:
embebidos em óleo, é muito menor do que o mostrado na figura 10. Este último é o valor obtido no ensaio de sapatas de freio, que trabalham sem lubrificação. As tabelas 1 e 2 mostram a faixa de variação dos valores do coeficiente de atrito nas condições seca e úmida, para fins de projeto.
4.3 - Freios de Tambor de Sapatas Externas Os freios de tambor de sapatas externas podem ser modelados de duas formas: por carregamento concentrado ou por carregamento distribuído. A primeira é utilizada quando as sapatas são pequenas, ou seja, são aplicadas apenas em uma pequena parte da superfície do tambor, normalmente com ângulos de abrangência ou abraçamento menores que 45°. Para sapatas maiores, é necessário considerar a distribuição da pressão ao longo da área de contato, o que é feito com o modelo distribuído.
4.3.1 - Modelo com Esforços Concentrados A figura 13 mostra um esquema de aplicação de forças para o caso de esforços concentrados. A força F é aplicada à uma distância c do ponto de ancoragem; a dimensão da sapata é tal que a o braço de alavanca da força de atrito fF é a ; a distância de aplicação da força na sapata N até o ponto de ancoragem é b , que não devem ser confundidos com o número de superfícies de atrito nem com a largura da sapata, muitas vezes simbolizadas pelas mesmas letras. A figura mostra também o diagrama de corpo livre do conjunto da alavanca e do tambor. O equilíbrio dos momentos em torno do ponto de ancoragem A permite relacionar a força de aplicação à força normal e ao valor do coeficiente de atrito: