ALFREDO GAY NETO MARCELO LINDENBERG GRAVINA RAFAEL ANTONIO BRUNO RENE NOGUEIRA TING TALES ADRIANO FERREIRA THOMAS LUDI FARINA MORENO TIAGO MARQUES LOPES VALTER UNTERBERGER FILHO VINCIUS LOPES DOS SANTOS

n USP: 3729314 n USP: 3729888 n USP: 3728831 n USP: 3730208 n USP: 3752422 n USP: 3729151 n USP: 3729248 n USP: 3528522 n USP: 3725672

SELEO DE MATERIAIS PARA SISTEMA DE FREIO A DISCO AUTOMOTIVO

Trabalho da disciplina PME 2380 Propriedades e Seleo de Materiais Mecnica para Engenharia

SO PAULO 2004

ALFREDO GAY NETO MARCELO LINDENBERG GRAVINA RAFAEL ANTONIO BRUNO RENE NOGUEIRA TING TALES ADRIANO FERREIRA THOMAS LUDI FARINA MORENO TIAGO MARQUES LOPES VALTER UNTERBERGER FILHO VINCIUS LOPES DOS SANTOS

n USP: 3729314 n USP: 3729888 n USP: 3728831 n USP: 3730208 n USP: 3752422 n USP: 3729151 n USP: 3729248 n USP: 3528522 n USP: 3725672

SELEO DE MATERIAIS PARA SISTEMA DE FREIO A DISCO AUTOMOTIVO

Trabalho da disciplina PME 2380 Propriedades e Seleo de Materiais Mecnica rea de Concentrao: Engenharia Mecnica Orientador: Prof. Dr. Deniol Katsuki Tanaka para Engenharia

SO PAULO 2004

RESUMO O presente trabalho rene elementos indispensveis para o entendimento do mecanismo de funcionamento de um sistema de freios automotivo. Suas particularidades, efeitos e propriedades importantes, histrico de desenvolvimento e tipos de sistema em uso na atualidade tambm constituem tpicos amplamente abordados. Numa segunda etapa, feita uma anlise, sob a tica da seleo de materiais, do sistema de freios a disco, culminando com a escolha do melhor material para o sistema a partir de cartas de seleo de material e de documentos que abordam resultados experimentais de materiais atualmente empregados na construo de um sistema de freios a disco automotivo.

ABSTRACT 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.

SUMRIO

RESUMO ABSTRACT 1. INTRODUO........................................................................................ 2. HISTRICO............................................................................................. 2.1 Os Sistemas................................................................................. 2.2 Os Materiais................................................................................ 3. PROPRIEDADES IMPORTANTES DE UM SISTEMA DE FREIO..... 3.1 Atrito........................................................................................... 3.1.1. Tribologia em Freios................................................... 3.1.2. Atrito em Feios - Modelos e Observaes Experimentais 3.1.3. Materiais para Construo de Pastilhas de Freio........ 3.2. Propriedades Trmicas............................................................... 3.3. Resistncia ao Desgaste............................................................. 3.3.1. O Desgaste em Discos de Freio................................... 3.3.2. Ensaio do Desgaste em Discos de Freio...................... 3.4 Vibraes.................................................................................... 3.5 Rudo........................................................................................... 3.6 Resistncia Trmica e Mecnica................................................. 3.7. Fatores Externos......................................................................... 3.7.1. Sensibilidade ao Meio-Ambiente................................ 3.7.2. Condies de Operao............................................... 3.7.2.1. Fade e Recuperao.................................. 3.7.2.2. Green Effectiveness.................................. 3.7.2.3. Sensibilidade Velocidade........................... 4. SISTEMAS DE FREIO AUTOMOTIVO................................................ 4.1. Freio a Disco.............................................................................. 4.1.1. Componentes............................................................... 4.1.2. Mecanismo e Funcionamento...................................... 4.2. Freio a Tambor........................................................................... 4.2.1. Principais Componentes.............................................. 01 02 02 03 05 05 06 09 12 13 19 23 24 26 28 29 32 32 33 33 34 34 35 35 35 37 37 38

4.2.1.1. Tambor......................................................... 4.2.1.2. Lona e Sapata............................................... 4.2.1.3. Cilindro de Roda........................................... 4.2.1.4. Molas de Retorno......................................... 4.2.1.5. Sistema de Ajuste Automtico..................... 4.3. Freio ABS.................................................................................. 4.4. Comparao entre os Sistemas de Freio Automotivos............... 5. SELEO DE MATERIAIS PARA O FREIO A DISCO...................... 5.1. Resistncia Mecnica ................................................................ 5.1.1 ndice de Desempenho................................................. 5.1.2 Seleo de Materiais..................................................... 5.2 Fadiga Trmica........................................................................... 5.2.1 ndice de Desempenho................................................. 5.2.2 Seleo de Materiais..................................................... 5.3. Atrito.......................................................................................... 5.4. Propriedades Trmicas............................................................... 5.5. Resistncia ao Desgaste............................................................. 5.6. O Melhor Material para o Freio a Disco.................................... 7. CONCLUSO.......................................................................................... 8. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS.....................................................

38 39 40 40 40 40 41 43 43 43 45 46 46 48 49 50 52 52 54 55

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 - Fatores Mecnicos e Tribolgicos Importantes para o Projeto do Freio.............................................................................................................. Figura 2.1 - Esquema Simplificado de um Freio a Disco............................. 01 02

Figura 2.3 - Aumento da Importncia ao Longo do Tempo de Propriedades Mecnicas do Material do Sistema de Freios............................................... Figura 3.1.1 Diferentes Nveis de Imperfeio de Superfcies.................. Figura 3.1.2 Rugosidade Superficial de uma Pastilha de Freio................. 04 06 07

Figura 3.1.3 Ilustrao do Mecanismo de Contato Rpido com Variao de rea............................................................................................................... 08

Figura 3.1.4 Variao do Coeficiente de Atrito Segundo Freadas Seqenciais 09 Figura 3.1.5 Coeficiente de Atrito em Funo da Temperatura de Frenagem 10

Figura 3.1.6 Variao do Coeficiente de Atrito Enquanto se Freia com Presso de Contato e Velocidade de Deslizamento Constantes...................................... 11

Figura 3.1.7 Efeito da Presso de Contato no Atrito de um Freio de Material Compsito..................................................................................................... 12

Figura 3.1.8 Efeitos no Coeficiente de Atrito Provocados pela Adio de Silcio e Alumnio em Material para Freio Prensado e Sinterizado............................ 12

Figura 3.2.1 Ilustrao da Distribuio de Temperaturas Feita com uma Cmera de Raios Infra-vermelhos................................................................................... Figura 3.2.2 Curva de Resfriamento por Conveco................................. Figura 3.2.3 Coeficiente de Transferncia de Calor por Radiao............ 15 17 17

Figura 3.2.4 Dissipao de Calor por Cada um dos Modos de Transferncia de Calor a 600C................................................................................................ Figura 3.2.5 Exemplos da Construo de Diferentes Discos de Freio....... 18 18

Figura 3.3.1 a) Formao de Ilhas de xido; b) e c) Crescimento das Ilhas; d) Destruio das Camadas Oxidadas e Formao de Novas Ilhas................... Figura 3.3.2 - a) Desgaste Abrasivo a Dois Corpos; b) Desgaste a Trs Corpos 19 20

Figura 3.3.3 Interaes Fsicas entre as Partculas Abrasivas e as Superfcies dos Materiais....................................................................................................... 20

Figura 3.3.4 Mudana do Tipo de Mecanismo de Desgaste e Taxa de Desgaste em Funo do ngulo de Ataque....................................................................... Figura 3.3.5 Formao de Trinca Propagando-se Paralela Superfcie.... Figura 3.3.6 Representao da Mquina de Ensaio dos Discos................. Figura 3.3.7 Desgaste dos Discos com Relao ao Tempo....................... Figura 3.3.8 Desgaste do Pino em Relao ao Tempo.............................. Figura 3.3.9 Detritos do Pino Aderidos Superfcie Desgastada.............. Figura 3.3.10 Lamelas de Grafita Funcionam como Depsitos de Detritos Figura 3.3.11 Riscos Profundos nas Superfcies Desgastadas................... Figura 3.4.1 Holografia de um Sistema de Freios..................................... Figura 3.5.1 Foto de um Equipamento de Teste........................................ Figura 3.5.2 Resultado Demonstrativo de um Teste de Rudo.................. Figura 3.6.1 Distribuio de Temperaturas no Disco no Tempo............... 21 21 24 25 25 26 26 26 27 28 28 29

Figura 3.6.2 Disco de Freio em Processo de Dissipao de Energia por Irradiao...................................................................................................... 29

Figura 3.6.3 Temperatura na Espessura no Disco de Freio em Funo do Nmero de Frenagens................................................................................................. Figura 3.6.4 Formao de Trincas Devido s Tenses Trmicas.............. Figura 3.6.5 Disco de Freio Frontal de uma Pickup Ford F-250............... Figura 3.6.6 Curva S-N.............................................................................. Figura 3.7.1 Efeito da Elevao da Temperatura no Coeficiente de Atrito 30 30 31 31 33

Figura 4.1 - Cilindro Mestre e Reservatrio................................................. Figura 4.2 - Pastilhas..................................................................................... Figura 4.3 - Discos........................................................................................ Figura 4.4 - Esquema de Pina..................................................................... Figura 4.5 - Esquema do Mecanismo do Freio a Disco................................ Figura 4.6 - Mecanismo do Freio de Mo..................................................... Figura 4.7 - Freio a Tambor com o Tambor Montado.................................. Figura 4.8 - Perspectiva Explodida do Mecanismo de Freio a Tambor........ Figura 4.9 - Conjunto Lona/Sapata............................................................... Figura 4.10 - Exemplos de Cilindros de Roda.............................................. Figura 5.1.1 - Diagrama de Corpo Livre de uma Roda (Rotor + Pneu).......

35 36 36 37 37 38 38 39 39 40 43

Figura 5.1.2 - Carta de Seleo de Materiais (Mdulo de Tenacidade em Funo da Densidade).................................................................................................... Figura 5.2.1 - Conjunto Disco-Cubo; Diagramas de Corpo Livre................ 45 47

Figura 5.2.2 - Carta de Seleo de Materiais (Tenso Normalizada X Coeficiente de Expanso Trmica)....................................................................................... 48

Figura 5.4.1 - Carta de seleo de materiais (Condutividade trmica X Difusibilidade trmica).......................................................................................................... 50

Figura 5.4.2 - Carta de seleo de materiais (Coeficiente de dilatao trmica X Condutividade trmica)................................................................................. 51

LISTA DE TABELAS Tabela 3.1 Composio Qumica dos Plateaus...................................... Tabela 5.1 Caractersticas para Obteno do ndice de Desempenho....... Tabela 5.2 Caractersticas para Obteno do ndice de Desempenho....... Tabela 5.3 Matriz de Deciso.................................................................... 07 44 46 53

1. INTRODUO Henry Ford, ao introduzir o seu famoso modelo Ford T, em 1908, revolucionou a indstria automobilstica. No pelas tecnologias inovadoras empregadas em seu carro, mas sim pela maneira de produo: o Ford T foi o primeiro carro desenvolvido para a produo em massa, mudando, para sempre, a forma de produo nas indstrias de todo o mundo. O Ford T pesava 550 kg, possua um motor de 20 HP e uma velocidade mxima de aproximadamente 65km/h. Em 1991, a Mercedes-Benz introduziu seu modelo Srie 600. Os Srie 600 pesavam mais de 2 toneladas, possuam um motor de 400 HP e uma velocidade mxima limitada eletronicamente em 250 km/h por motivos de segurana. Constatase, portanto, que a mxima energia cintica desenvolvida por um automvel aumentou 54 vezes em 83 anos [ERIKSSON, 2000]. Com toda essa evoluo, tornou-se importante desenvolver cada vez mais o sistema de freios automotivo. Apropriadamente, isto tem sido feito atravs do aumento do poder de frenagem e da confiabilidade do sistema [KINKAID, 2003]. Assim, h alguns requerimentos que o sistema deve preencher e constantemente aprimorar.

Tais requerimentos so a resistncia ao desgaste,

resistncia a trincas formadas pelo calor, capacidade de abafamento sonora,Figura 1.1: Fatores Mecnicos e Tribolgicos Importantes para o Projeto do Freio (onde E=Ecology, W=Wear, C=Cost, P=Performance, NVH=Natural Vibration Harshness). [BRECHT, 2003]

capacidade de suportar outras foras que no as resultantes

da frenagem, boa usinabilidade, amortecimento das vibraes internas do sistema e, principalmente, uma alta eficincia de frenagem [JIMBO, 1990]. H diferentes sistemas de freio automotivos. Hoje em dia, so utilizados os sistemas de freio a tambor (principalmente em veculos de grande porte, como caminhes e nibus) e freio a disco (em veculos menores, como carros) [ERIKSSON, 2000].

2. HISTRICO 2.1. Os Sistemas No incio do sculo XX, o engenheiro britnico 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 veculo. Para frear o veculo, o disco seria apertado em sua borda por um par de garras. Discos de freio como os conhecemos foram primeiramente utilizados em 1951 pelos irmos Conze, na famosa corrida das 500 milhas de Indianpolis, nos EUA [MACNAUGHTON, 1998]. importante ressaltar que a utilizao de categorias de competio automobilstica para o desenvolvimento de novas tecnologias uma prtica comum na indstria. At os anos 70, os automveis 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 alumnio em uma matriz de ferro fundido [MACNAUGHTON, 1998]. A introduo da Legislao para Segurana de Veculos Motores (Federal Motor Vehicle Safety Standard, FMVSS), que imps padres mais severos em relao distncia de frenagem e ao desgaste de freios, fez com que o sistema de freios utilizado (os freios dianteiros) correspondessem a cerca de 75% da potncia de frenagem. Isso fez com que os freios dianteiros fossem considerados cruciais para atender a FMVSS, o que contribuiu para a difuso do sistema de freios a disco pelas principais indstrias automobilsticas, primeiro americanas, depois mundiais [KINKAID, 2003]. Os sistemas de freio modernos possuem importantes caractersticas de projeto: a fora aplicada no pedal diretamente proporcional fora de frenagem; convertem grandes quantidades de energia em calor; o sistema deve ser auto-ajustvel, isto ,Figura 2.1: Esquema Simplificado de um Freio a Disco. [KINKAID, 2003]

no deve necessitar de ajustes peridicos de partes mecnicas; o sistema deve ser fcil de controlar e ter uma manuteno simples. Tais caractersticas so mais bem atendidas nos freios a disco que nos freios a tambor, pois os primeiros, alm dos fatores anteriormente mencionados, ainda possuem menor distncia de frenagem, alto torque resistivo, melhor resistncia fadiga trmica e tamanho e peso menores. O sistema ABS (Anti-lock Braking System) considerado o maior avano em sistemas de frenagem automotiva desde o advento dos sistemas hidrulicos [RINEK, 1995]. Basicamente, o sistema consiste em um mecanismo que impede o travamento das rodas ao se acionar o freio, no permitindo derrapagem na frenagem. A tecnologia nasceu na indstria ferroviria, no incio do sculo XX, progredindo para os automveis (em estgio conceitual) em 1936. Entretanto, os primeiros sistemas ABS possuam desempenho limitado, confiabilidade menor do que o desejvel e custos relativamente altos, o que significou o abandono temporrio da tecnologia. Em 1979, engenheiros da Bosch e da Mercedes-Benz introduziram um sistema de freios ABS confivel, completamente digital e eletrnico. Todos os sistemas que existem atualmente derivaram desse modelo, o que popularizou e barateou a tecnologia. Atualmente, os ABS eletrnicos dependem de sensores de relutncia varivel em cada roda, montados prximos a um anel dentado rotativo, que alimenta ondas senoidais de freqncia e amplitude variveis para o computador, que por sua vez calcula a velocidade e acelerao da roda. Inmeros algoritmos so empregados para determinar se uma ou mais rodas desaceleraram rpido demais (o que caracteriza o travamento), o que comanda a o aumento ou decrscimo da presso dos freios na forma de pulsos [RINEK, 1995]. 2.2 Os Materiais Nos primeiros sistemas de freio, as superfcies de desgaste no recebiam muita ateno 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 satisfatria. Conforme os carros foram evoluindo, foi necessrio melhorar a vida e a performance dos revestimentos de freios. Isso requeria materiais com maior resistncia ao calor. Em 1923, qumicos descobriram as propriedades de materiais reforados com fibras

de amianto, unidos por resinas orgnicas. Entretanto, o amianto, um silicato de clcio e magnsio, no-combustvel e fibroso, provou possuir propriedades cancergenas, tendo seu uso sido banido nos EUA em 1993 [RINEK, 1995]. O material mais comumente utilizado nos dias de hoje o ferro fundido cinzento, por ser confivel, barato e fcil de produzir em larga escala. Alm disso, razoavelmente leve e resistente, possui uma excelente capacidade de amortecimento de vibraes e possui uma tima condutibilidade trmica. O ferro fundido cinzento ainda possui uma propriedade singular: seu calor especfico aumenta com a temperatura, melhorando, portanto, sua capacidade de absorver energia trmica adicional gerada pela ao de frenagem. Para automveis de alta performance, como carros de corrida ou carros esportivos de luxo, so utilizados compsitos de carbono. Entretanto, seu preo elevado o torna proibitivo para uso convencional [MACNAUGHTAN, 1998]. Com o passar das dcadas, a exigncia das caractersticas que o material da pastilha de freio deveria exibir foi aumentando, sempre de acordo com as descobertas cientficas da poca e com os testes que iam sendo feitos com maior freqncia, sempre visando aumentar a segurana dos equipamentos.

Figura 2.2: Aumento da Importncia ao Longo do Tempo de Propriedades Mecnicas do Material do Sistema de Freios. [BRECHT, 2003]

3. PROPRIEDADES IMPORTANTES DE UM SISTEMA DE FREIOS 3.1 Atrito Um dos mais importantes fenmenos fsicos relacionados a sistemas de frenagem o atrito existente entre a pastilha e o disco de freio. A respeito do incio do estudo de atrito seco, pode-se dizer que Leonardo da Vinci foi quem notou correlao positiva entre a fora normal e a fora de atrito. O mesmo notou que a as variaes de rea de contato aparentes dos corpos no influenciavam no valor da fora de atrito. A relao entre o valor da fora de atrito (FA) e a fora normal (FN) uma constante denominada coeficiente de atrito ( ), de modo que =

FA [ERIKSSON, 2000]. FN

Observa-se que a fora de atrito atua segundo a direo tangente ao plano de contato entre dois corpos e que seu sentido contrrio ao sentido da velocidade relativa dos corpos em caso de atrito cintico (ou dinmico) e que contrria solicitao de foras externas no caso em que no ocorre escorregamento (atrito esttico). O atrito serve no sistema de frenagem como um dissipador da energia cintica, transformando-a em calor, que dissipado para o ambiente, e em energia de superfcie [PETER]. A fora de atrito entre duas superfcies determinada pelos principais fatores: as propriedades de contato dos materiais e a rea real de contato. Tal fora no determinada de maneira trivial, pois esses dois fatores variam muito segundo as condies de estudo e operao do conjunto em questo. As superfcies podem ser descritas pelas caractersticas a seguir [ASM HANDBOOK]: Topografia: ondulaes variam desde a escala atmica at tamanhos prximos ao da pea. Existem marcas devido a processos de fabricao, pequenos vales devido a micro-eventos e ainda rugosidade em escala atmica; Macrodesvios: desvios de forma, geralmente causados por fatores como a fabricao do componente; Ondulaes: causadas por pequenas vibraes peridicas do equipamento de fabricao durante o processo;

Rugosidade: causada pela geometria das ferramentas de corte e pelas ondulaes sofridas na produo da pea; Micro-rugosidade: surge devido estrutura cristalina da superfcie, e afetada na escala atmica, sendo at mesmo influenciada por imperfeies no material. Efeitos de corroso so notados nessa escala.

A

figura

3.1.1

ilustra os diferentes nveis de

anlise das imperfeies da superfcie dos materiais. Os efeitos listados induzem a criao de modelos deFigura 3.1.1 Diferentes nveis de imperfeio de superfcies [ASM HANDBOOK].

atrito para descrever o comporta-

mento de sistemas de freios. O modelo mostrado acima para clculo do valor da fora de atrito o mais simples (modelo de Coulomb).

3.1.1. Tribologia em Freios As pastilhas de freio possuem certa rea de contato aparente com os discos de freio, porm apenas cerca de 20% de tal rea aparente apresenta verdadeiro contato. Normalmente as pastilhas de freio so compsitos formados por materiais com propriedades mecnicas muito diferentes. A superfcie das pastilhas de freio possui uma complexa estrutura formada por plateaus distribudos. Tais plateaus so definidos como as partes da pastilha que apresentam contato com o disco de freio. A fora de frenagem transmitida por reas de contato que correspondem aos plateaus, cujos tamanhos e composies so de crucial influncia para a atuao do atrito [ERIKSSON, 2000]. Comparando-se a interface de um freio real composto de pastilha e disco de freio com uma possvel interface composta de duas peas de ferro fundido em contato, verifica-se que o nmero de reas de contato seria muito menor no caso do ferro

fundido. Isso ocorre devido maior rigidez do material apresentado na segunda interface [ERIKSSON, 2000]. A composio qumica dos plateaus , usualmente, dominada por ferro na forma de xido de ferro ou na forma de ao. Formas como FeO e Fe3O4 so dominantes nos plateaus. Segue, uma tabela referente composio qumica dessas estruturas. Elemento Ferro Oxignio Cobre Silcio Enxofre A rea de contato durante a frenagem est longe de ser Porcentagem em massa 65 25 5 3 2 Porcentagem atmica 40 52 3 3 2

Tabela 3.1 Composio Qumica dos Plateaus [ERIKSSON, 2000].

constante, bem como as composies

qumicas da interface de contato entre o disco e a pastilha de freio.Figura 3.1.2 Rugosidade superficial de uma pastilha de freio (2 plateaus) [ERIKSSON, 2000].

So explicados abaixo alguns efeitos dinmicos que ocorrem na frenagem. Estes podem ser divididos em efeitos segundo processos rpidos, e segundo processos lentos. Processos rpidos: uma rpida atuao da presso de contato no freio provoca os seguintes efeitos [ERIKSSON, 2000]: Maior rea de contato do que antes da frenagem;

Redistribuio dos esforos nos plateaus, sendo que os maiores esforos absorvidos naqueles composio qumica mecanicamente mais estvel, deFigura 3.1.3 Ilustrao do mecanismo de contato rpido com variao de rea [ERIKSSON, 2000]: a)O nmero de plateaus aumenta segundo a deformao elstica da pastilha; b)A rea de contato real de cada plateau aumenta com a deformao plstica.

so

uma vez que os plateaus podem apresentar-se em diferentes composies qumicas. Logo, a composio do material que transmite o atrito efetivamente na frenagem modificada. A presso de frenagem na superfcie varia, ainda, segundo outras influncias, como o rudo de freio. Processos Lentos: tipicamente ocorrem aps alguns segundos de frenagem. Situaes prticas de suas atuaes so, por exemplo, no caso frenagens no muito intensas, de grande durao promovendo baixas desaceleraes no veculo. As conseqncias abaixo discriminadas podem ocorrer [ERIKSSON, 2000]: Formao, crescimento e desintegrao de plateaus de contato. Envolvem aglomerao e compactao ao redor de ncleos de resistncia maior do material. Adaptaes da forma em nvel microscpico ocorrem com o aumento do esforo exigido do material. Existe deformao localizada nos plateaus. Mecanismos elsticos e plsticos ocorrem, aumentando a rea de contato na interface disco-pastilha. Adaptaes da forma em nvel macroscpico, pois as partes mais duras do material das pastilhas inicialmente promovem polimento na superfcie do disco, fazendo-o ficar mais bem adaptado a sua forma. Aps a deformao sofrida no disco, devido atuao de esforos provenientes

da pastilha, a configurao do disco de freio vai ser ondulada. Formas de onda circulares concntricas so notadas durante a atuao do freio.

3.1.2. Atrito em Feios Modelos e Observaes Experimentais Todas as conseqncias dos processos lentos descritos anteriormente provocam variaes no coeficiente de atrito. Em processos rpidos, a medio da variao desse coeficiente dificultada [ERIKSSON, 2000]. Uma situao na qual possvel notar variao do coeficiente de atrito na utilizao de pastilhas de freio nunca previamente usadas. Tais peas demandam um certo tempo de ao para que funcionem da maneira correta (para a qual foram projetadas). Inicialmente existem resduos de forma na superfcie devido aos processos de fabricao. Durante as primeiras atuaes do freio sua eficincia vai mudando, pois vo surgindo os plateaus com o desgaste inicial da pastilha. A transformao da estrutura inicial da superfcie para a estrutura composta por plateaus mais rpida na pastilha do que nos discos de freio. Nas primeiras, apenas cinco freadas j so suficientes para estabilizar um valor aproximadamente constante de coeficiente de atrito. J nos discos de freio, somente aps cerca de trinta atuaes do freio que estabilizada a estrutura superficial definitiva. Quando a estrutura definitiva alcanada, temos uma maior estabilidade no valor do coeficiente de atrito na frenagem [ERIKSSON, 2000]. observado na figura 3.1.4 que ocorre um aumento do valor do coeficiente de atrito conforme o freio mais utilizado. Isso ocorre devido a adaptaes e formaes de plateaus. Durante longos

testes de freio nota-se que tal fenmeno independente daFigura 3.1.4 Variao do coeficiente de atrito segundo freadas seqenciais [ERIKSSON, 2000]: a)Pastilha de freio; b)Disco de freio.

temperatura inicial do teste. Em diferentes temperaturas de atuao

o valor do coeficiente de atrito que inicialmente atua o mesmo [ERIKSSON, 2000]. Cada tipo de pastilha apresenta diferentes comportamentos com relao ao aumento do coeficiente de atrito conforme aumentado o nmero de freadas. Um dos fatores influentes no formato da curva que descreve esse fenmeno a umidade relativa do ar. Ambientes secos promovem efeitos mais evidentes do que ambientes midos (maior variao do valor do coeficiente de atrito) [ERIKSSON, 2000]. A respeito da dependncia do valor do coeficiente de atrito com a velocidade escorregamento relativa das de

superfcies,

pode-se dizer que um assunto da pauta de pesquisadores desde a poca de Coulomb at a poca atual. Coulomb mostrou que o coeficiente poderia ser de atrito cintico daFigura 3.1.5 Coeficiente de atrito em funo da temperatura de frenagem [ERIKSSON, 2000].

uma

funo

velocidade relativa de escorregamento. O mesmo pesquisador diria que o coeficiente de atrito esttico sempre maior do que o coeficiente de atrito cintico. Tal fato aceito at hoje. Modelos existentes para sistemas de freio so extremamente complexos e trazem muitas dependncias de efeitos dinmicos. Por isso, no foram ainda adotados pela comunidade de pesquisadores de frenagem. Ainda no existe conciso nos modelos de atrito a respeito da dependncia ou no da velocidade relativa de escorregamento. Enquanto os modelos clssicos adotados no levam em conta tal efeito, observada uma variao do valor do coeficiente de atrito esttico conforme mudada a velocidade relativa de escorregamento. Tal comportamento observado na prtica como decrescente com o aumento do valor da velocidade relativa. Por isso, possivelmente, existe alguma relao mais complexa para descrever o atrito seco [KINKAID, 2003]. Segundo Orthwein [ORTHWEIN, 1986], o coeficiente de atrito uma funo da presso de contato, da temperatura e da velocidade relativa de deslizamento das superfcies. Parte do aumento do coeficiente de atrito explicada pela reduo da

velocidade de deslizamento do disco durante a parada. A maioria das pastilhas mostra maiores valores de coeficiente de atrito em mais baixas velocidades e, de

deslizamento

portanto,

maior tempo para realizar a frenagem como mostrado na figura 2000]. Existem diferentes tipos de frenagem com diferentes efeitos. So eles [PETER]: Frenagem nas rodas dianteiras: mais estvel do que a frenagem nas rodas traseiras e pode transmitir grandes valores de carga; Frenagem nas rodas traseiras: tende a ser mais instvel do que a frenagem nas rodas dianteiras. Para calcular o valor da fora de atrito, utiliza-se a expresso abaixo, que leva em conta em seu segundo termo (entre parnteses) o incremento de carga devido s foras de inrcia [PETER]. dh F = W 1 4 gL

3.1.6

[ERIKSSON,

Figura 3.1.6 Variao do Coeficiente de Atrito Enquanto se Freia com Presso de Contato e Velocidade de Deslizamento Constantes [ERIKSSON, 2000].

Na equao acima, a varivel W representa a fora normal no disco, L a base da roda, h a distncia do centro de gravidade do carro ao cho, d a desacelerao do veculo e g a acelerao da gravidade. O sinal da expresso negativo para frenagem em rodas traseiras, e positivo para frenagem em rodas dianteiras. Materiais usados na produo de freios devem operar em um valor moderadamente alto e uniforme de coeficiente de atrito durante a frenagem [PETER]. Tipicamente os fabricantes de freio utilizam-se de aproximadamente 10 a 50% de estruturas cermicas na composio das pastilhas. Incluem-se como exemplo de cermica a alumina e a slica. Alguns modificadores de atrito como o bismuto e o molibdnio (absorvedor de oxignio) so usados para formar filmes nas superfcies dos freios, desta forma, o atrito pode ser controlado [PETER].

A respeito da relao entre a presso de contato do conjunto pastilha e disco de freio e do coeficiente de atrito, temos que o comportamento descrito pelo grfico da figura 3.1.7. Nele se observa uma queda no valor do coeficiente segundo um aumento da presso de contato [PETER]. As diversas composies existentes

promovem diferentes comportamentos dos materiais com relao ao coeficiente de atrito. Efeitos comparativos daFigura 3.1.7 Efeito da presso de contato no atrito de um freio de material compsito [PETER].

composio de silcio e alumnio so mostrados no grfico da figura 3.1.8 [PETER].

Figura 3.1.8 Efeitos no coeficiente de atrito provocados pela adio de silcio e alumnio em material para freio prensado e sinterizado [PETER].

3.1.3. Materiais para Construo de Pastilhas de Freio Pastilhas de freio usualmente so feitas de materiais compsitos, conforme mencionado anteriormente. Nesta seo, sero detalhados os diferentes materiais que podem ser usados para confeco dessas importantes peas de frenagem. O processo de fabricao geralmente a compactao a quente, e so utilizados de 10 a 20 componentes diferentes. necessrio que se tenha os seguintes componentes [ERIKSSON, 2002]:

Aglutinante: responsvel por manter a estrutura unida formando uma matriz termicamente estvel. Geralmente so usadas resinas fenlicas termofixas. A adio de borracha promove um maior umedecimento da matriz [ERIKSSON, 2002].

Materiais Estruturais: promovem resistncia mecnica. Podem ser usados metais, carbono, vidro e/ou fibras de kevlar. Raramente so usados outros materiais [ERIKSSON, 2002].

Enchimento: provem uma facilidade para a manufatura e preenchem espao sem altos custos. Podem ser utilizados, por exemplo, mica, vermiculita ou sulfato de brio [ERIKSSON, 2002].

Aditivos para atrito: so utilizados alguns materiais para promover melhor condio de atrito na interface pastilha-disco. Lubrificantes slidos como o grafite so utilizados para promover uma estabilidade do coeficiente de atrito em altas temperaturas. Partculas abrasivas como silcio e alumnio tambm ajudam a aumentar o coeficiente de atrito. A adio do silcio ainda promove uma superfcie de contato mais aderente, pois remove xidos e outros filmes de superfcie do disco [ERIKSSON, 2002].

A respeito do material para fabricar um disco de freio, o ferro fundido cinzento representa a melhor das opes. Com uma composio de 3 a 4 % de carbono, possui grafita livre na forma de veios em uma matriz perltica. Possui boas propriedades para dissipao trmica, satisfatria resistncia ao desgaste, resistncia mecnica suficiente, barato e relativamente fcil de se fabricar por fundio [ERIKSSON, 2002]. 3.2. Propriedades Trmicas Veculos em movimento possuem uma quantidade de energia cintica proporcional sua massa e velocidade. Para parar um veculo em movimento, esta energia cintica deve ser transformada em outra forma de energia, no caso dos freios hidrulicos, em calor. Um carro pesando 1500 kg, por exemplo, converter em torno de 240 kW de energia cintica em calor quando a frenagem vai de 145 km/h at a parada total do

veculo em poucos segundos. Esta grande quantidade de energia gerada na forma do calor pode significar, em um curto perodo de tempo, que o disco de freio possa atingir temperaturas de at 900C, o que pode resultar em um enorme gradiente de temperatura existente entre o centro e a superfcie do disco [MACNAUGHTAN, 1998]. Naturalmente, o material do disco de freio deve ser capaz de resistir s altas tenses trmicas envolvidas durante os repetitivos ciclos trmicos no decorrer do uso e a energia trmica gerada deve ser dissipada o mais rpido possvel

[MACNAUGHTAN, 1998]. O calor gerado pelo atrito em dispositivos como freios e embreagens induz deformaes trmicas, que associadas s deformaes causadas pelas tenses existentes durante o deslizamento entre pastilha e disco de freio, podem levar ao desenvolvimento de reas de contato localizadas e de zonas de altas temperaturas conhecidas como hot spots. Hot spots so reas com grandes gradientes de temperatura na superfcie de contato. A existncia dessas zonas considerada um dos fenmenos mais perigosos e pode causar em um dispositivo (sistema de freio, por exemplo) fraturas prematuras, distores permanentes alm de outros danos, como vibraes. Foi mostrado que uma solicitao termomecnica associada a estes hot spots pode causar um ciclo de tenses de compresso e trao com variaes de deformaes plsticas, o que est diretamente relacionado com a formao de trincas [PANIER, 2004] [CHOI, 2004]. Foi proposta uma classificao para os tipos de hot spots observados experimentalmente em discos de freios (ilustrados na figura 3.2.1): Resulta de contatos discretos de asperezas. A temperatura sobe rapidamente, mas pouco, em pequenas reas da superfcie de contato (1). Gradientes de bandas quentes correspondem a pequenas regies de contato que aparecem ao longo de um caminho mpar (2). Bandas quentes na direo radial aparecem como reas reduzidas de contato da pastilha de freio com o disco. So vistas no disco como anis

estreitos de altas temperaturas na direo do deslizamento. Elas podem se mover ao longo da direo radial durante a frenagem (3). Hot spots macroscpicos (MHS) so grandes gradientes de temperatura distribudos regularmente na superfcie do disco. Este fenmeno reduz drasticamente a rea da superfcie de contato com altas temperaturas locais (4). Hot spots com pequenos gradientes de temperatura distribudos ao longo de toda a superfcie de disco, associados a um resfriamento no homogneo. Tal distribuio aparece no final de frenagens associadas difuso trmica (5).

Figura 3.2.1 Ilustrao da distribuio de temperaturas feita com uma cmera de raios infravermelhos.

Os gradientes de temperatura mais perigosos para a estrutura de um disco de freio so aquelas mostradas na Figura 3.2.1 (2), (3) e (4). O tipo (2) apresenta instabilidade termoelstica (TEI), que se baseia na teoria da variao do atrito de contato devido a interaes entre expanses trmicas, aquecimento por atrito, conduo de calor para fora da zona de alta temperatura e desgaste. De acordo com a teoria da TEI os hot spots aparecem somente a uma velocidade de deslizamento crtica que depende das propriedades trmicas do material. O tipo (3) ocorre por uma reduo da rea de contato da pastilha com o disco, causado por distores trmicas dos componentes, desgaste da pastilha e o comportamento termomecnico dos materiais. O tipo (4) apresenta grandes gradientes de temperatura, comumente considerados os principais mecanismos de falha do disco. Mostra-se que os MHS so encontrados em ambos os lados do disco na direo de deslizamento. A anti-simetria dos MHS e os nveis de temperatura neles encontrados indicam uma deformao circunferencial

com deformao plstica e transformaes locais na estrutura cristalina do metal [PANIER, 2004]. Reduzir a diferena de temperatura entre a superfcie e o interior do disco, , em primeira instncia, um mtodo eficaz para a preveno do surgimento de trincas na superfcie. A condutividade trmica propriedade fundamental para a reduo do gradiente de temperatura. O aumento das tenses de resistncia e fadiga do material tambm seria uma alternativa possvel [JIMBO, 1990] [MACKIN, 2002]. Entretanto, alta condutividade trmica no necessariamente implica em uma melhoria na resistncia formao de trincas do material. Ela serve somente para atenuar a carga trmica no disco de freio. Alm do mais, at mesmo se o material reduzir o gradiente de temperatura nos primeiros estgios de frenagem, o efeito desejado de conter a formao de trinca no necessariamente ser obtido, a no ser que a resistncia trmica do material seja melhorada. Ou seja, nada adianta reduzir o gradiente de temperatura se a energia trmica existente no disco de freio no for dissipada ao longo do tempo, uma vez que caso o disco esteja a temperaturas muito elevadas, sua resistncia trmica no ser capaz de conter a formao de trincas [JIMBO, 1990] [VOLLER, 2003]. Em uma simples frenagem, virtualmente toda a energia absorvida pelo disco e pela pastilha e o curto espao de tempo no permite uma dissipao significante. A capacidade trmica do disco deve ser suficiente para garantir a aceitao da ascenso da temperatura, mantendo o freio a temperaturas seguras de operao. J em aplicaes repetidas de frenagem, com foi dito no pargrafo acima, o disco deve ser capaz de dissipar o calor gerado, caso contrrio a integridade da estrutura do disco estar comprometida [VOLLER, 2003]. A conveco considerada o modo mais importante de transferncia de calor, dissipando a maior parte do calor gerado para o ar na maioria dos veculos em operao. Porm, a radiao contribui significantemente para a dissipao de calor em altas temperaturas [VOLLER, 2003]. A montagem do sistema de freio fornece duas reas de dissipao de calor por conduo (em carros de passeio), uma para o eixo, e outra para a roda. A transferncia de calor para o eixo deve ser evitada para garantir que a temperatura no eixo se mantenha baixa. A roda est em contato direto com o ar ambiente, que

turbulento quando o carro est em movimento, o que sugere que a roda pode oferecer um potencial substancial de dissipao de calor. importante considerar a temperatura do pneu, uma vez que seu superaquecimento pode levar a condies de operao muito perigosas, que, obviamente, devem ser evitadas [VOLLER, 2003]. Voller et al. estudou a dissipao de

calor em um sistema de freio por

conveco, radiao e conduo. A

Figura 3.2.2 mostra curvas experimenFigura 3.2.2 Curva de resfriamento por conveco. [VOLLER]

tais de resfriamento

para o disco com e sem a roda, inicialmente a 140C, para 150 e 450 rpm, que correspondem s condies de operao de veculos comerciais. O grfico comprova a teoria de que a conveco depende diretamente da velocidade com que o fluido escoa na superfcie do disco e, como esperado, o resfriamento muito maior para 450 rpm. O calor dissipado por radiao independente da velocidade de rotao da roda, porm, fortemente influenciado pela temperatura (quarta potncia) e pela emissividade (dependncia linear). mostra A um Figura grfico 3.2.3 do

coeficiente de transferncia de calor por radiao em funo da temperatura para diversos valores deFigura 3.2.3 Coeficiente de transferncia de calor por radiao varia com a temperatura. [VOLLER, 2003]

emissividade. importante notar como o coeficiente

passa a ser significante para altas temperaturas. Pode-se mostrar a contribuio individual de cada uma das trs formas de dissipao de calor j citadas e compar-las, como mostrado na Figura 3.2.4, para um ensaio onde a temperatura superficial era de 600C e a 150 rpm para um sistema de freio de

um veculo comercial. O resultado mostra que o total de calor dissipado aproximadamente: conduo 2,0 kW (18%), conveco 4,5 kW (39%), e radiao 5,0 kW (43%). interessante notar que mais calor dissipado por radiao do que por conveco. Se mudarmos as condies do ensaio para 40 rpm, a conveco com

contribuir

apenas

18% do total dissipado. Entretanto, se for adotado 450 rpm, a a conveco de deFigura 3.2.4 Dissipao de calor por cada um dos modos de transferncia de calor a 600C. [VOLLER, 2003]

assume principal

condio dissipador

calor com 57% [VOLLER, 2003]. Muitos discos de freio possuem uma geometria que favorece a circulao do ar na superfcie para aumentar a dissipao de calor por conveco, como mostrado na Figura 3.2.5. importante notar que para que um disco de freio no sofra danos causados por altas temperaturas, no basta somente ter boa condutividade trmica ou resistncia trmica. O calor armazenado no disco deve ser eliminado, sendo ento a geometria e o projeto do disco importantssimos.

Figura 3.2.5 Exemplos da construo de diferentes discos de freio: (a) Porsche Carrera, (b) Moto BMW, (c) Ferrari F250.

3.3. Resistncia ao Desgaste Um dos pontos mais importantes a serem estudados para a escolha efetiva do material usado em um disco de freio , sem dvida nenhuma, a sua resistncia ao desgaste. Inmeros fatores devem ser abordados para o estudo completo da resistncia ao desgaste como o atrito e condutividade trmica, pois esto intimamente relacionados ao tpico em questo, uma vez que o material pode ter suas propriedades alteradas em funo desses parmetros. Outros fatores que podem influenciar sero estudados nas sees subseqentes. Historicamente, os trabalhos que vm sendo realizados sobre o atrito, procuram explicar o processo de desgaste dos materiais e os mecanismos envolvidos nesse fenmeno. Primeiramente necessrio que se saiba o que se est querendo dizer ao mencionar a palavra desgaste. Segundo a norma DIN 50320, nos processos de desgaste esto envolvidos basicamente quarto mecanismos de desgaste, ou uma combinao desses mecanismos. So eles: Adeso: formao e o posterior rompimento de ligaes adesivas interfaciais. Ex: juntas soldadas a frio. Abraso: remoo do material por sulcamento. Fadiga superficial: fadiga mecnica e a conseqente formao de trincas na superfcie, devido s tenses cclicas tribolgicas. Reao triboqumica: formao de produtos das reaes qumicas que podem ocorrer entre os

elementos de um tribossistema, que tem incio por uma ao tribolgica. Um tipo de desgaste que pode ocorrer o chamado desgaste oxidativo. possvelFigura 3.3.1 a) Formao de ilhas de oxido; b) e c) crescimento das ilhas; d) destruio das camadas oxidadas e formao de novas ilhas [CUEVA, 2002]

inferir que o atrito causado pelo contato de duas superfcies que deslizam uma sobre a outra, gera picos de temperatura,

estritamente ligadas ao valor da velocidade

relativa das superfcies para alguns pontos. Isso pode levar a formao de ilhas ou plateaus de xido, que acabam formando uma camada protetora que reduz o contato metal-metal. A elevada presso de contato entre essas novas superfcies irregulares provoca o trincamento das ilhas, o que leva a formao de partculas de desgaste (debris) no metlicas. Estando o sistema em uma atmosfera de oxignio, essas partculas sero formadas basicamente de vrios tipos de xidos, cuja formao depende da temperatura em questo. A baixas temperaturas, a oxidao ocorrer apenas no contato entre as asperezas das superfcies, enquanto que a altas temperaturas, ela pode ocorrer na superfcie toda, inclusive fora da rea de contato. Um outro processo o desgaste abrasivo, que ocorre pelo deslocamento de material provocado pela ao de partculas duras, que esto alojadas entre duas superfcies que esto em movimento relativo. Tambm pode ocorrer por causa de partculas duras que estejam alojados em uma das superfcies. Resduos de produtosFigura 3.3.2 a) Desgaste abrasivo a dois corpos; b) Desgaste a trs corpos [CUEVA, 2002]

usados na fabricao do material,

fragmentos de desgaste encruados ou partculas estranhas que entram no tribossistema, so alguns dos motivos que justificam o aparecimento dessas partculas. No caso de se ter uma superfcie mais dura do que a outra, pode-se verificar esse mesmo processo. O desgaste abrasivo ainda pode ser classificado em: sulcamento, corte, fadiga e trincamento. Durante o processo de sulcamento, se for considerada apenas a passagem de uma partcula abrasiva, esta no provoca a remoo de material da superfcie que vai ser desgastada (no h perda de massa). Uma proa formada na frente dessa partcula, obrigando o material a se deslocar para os lados, formando os chamados sulcos. Mas a ao de vrias partculas abrasivas que atuam de formaFigura 3.3.3 Interaes fsicas entre as partculas abrasivas e as superfcies dos materiais [CUEVA, 2002]

simultnea e sucessiva nessa superfcie, acaba por deslocar o material das bordas de

um lado para o outro, podendo provocar o destacamento de uma lasca pelo processo caracterizado como fadiga de baixo ciclo. J no mecanismo de corte, a perda de massa da superfcie provocada pela ao de uma partcula dura, fica igual ao volume do sulco que foi deixado como marca do desgaste ocorrido. Os mecanismos de corte e sulcamento so os predominantes no que se refere ao desgaste abrasivo de materiais dcteis. A quantidade de material que deslocado para os lados no sulcamento, ou que retirado no corte, proporcional ao ngulo de ataque da partcula abrasiva.

Figura 3.3.4 Mudana do tipo de mecanismo de desgaste e a taxa do desgaste em funo do ngulo de ataque [CUEVA 2002]

Por ltimo, o trincamento ir ocorrer quando as partculas duras concentrarem tenses maiores do que o limite de resistncia na superfcie dos materiais. Devido formao e propagao das trincas, grandes debris sero destacados da superfcie. O desgaste por fadiga superficial o processo pelo qual se observa a formao de trincas e o posterior lascamento do material provocados pelo carregamento cclico de superfcies slidas. Nota-se a seguinte seqncia de processos: deformao elstica, deformao plstica, encruamento, formao e propagao de trincas. Tenses cclicasFigura 3.3.5 Formao de trinca propagando-se paralela superfcie [CUEVA 2002]

superficiais podem resultar do rolamento, deslizamento e impacto de slidos relativos superfcie em questo, o que levar a fadiga da mesma. Durante o contato por deslizamento, os carregamentos e descarregamentos podero induzir trincas na superfcie ou abaixo dela. Esse carregamento cclico ser provocado pelas foras de atrito e normal, que atuam na rea de contato. Por fim, assim que uma trinca atinge a superfcie, as partculas de desgaste so geradas. Essas trincas esto representadas na figura 3.3.5. O desgaste adesivo, de carter qumico, pode ocorrer no deslizamento de uma superfcie sobre a outra. Na interao das asperezas das superfcies, foras atrativas nos pontos de contato so geradas, podendo ser das formas inicas, covalentes, metlicas ou de Van der Waals. Sendo a rea de contato nas asperezas muito pequena, localmente se desenvolvem altas presses de contato que provocam a deformao plstica, adeso e a conseqente formao de junes localizadas. Com o deslizamento relativo entre as superfcies em contato, ocorre a ruptura dessas junes podendo, freqentemente, ocorrer a transferncia de material entre as superfcies. Isso fica favorecido por diversos fatores externos como a composio qumica do material ou limpeza das superfcies, por exemplo. Os fragmentos de material que passam de uma superfcie a outra podem se destacar novamente e voltar superfcie inicial ou se tornar resduos de desgaste. Segundo Welsh (1965), as caractersticas do processo de desgaste podem mudar intensamente quando as condies do contato sofrerem alteraes. O autor mostra que a velocidade de deslizamento e a dureza do material provocam grandes variaes na taxa de desgaste. Foi observado que quando a velocidade do deslizamento excede um valor crtico, a taxa de desgaste pode diminuir em at 600 vezes. As altas taxas de desgaste observadas por Welsh esto associadas presena de fragmentos metlicos grandes, enquanto que as baixas taxas estariam relacionadas oxidao superficial e a finos debris oxidados. As velocidades crticas podem ser determinadas segundo critrios apontados por Kragelskii & Shvetsova (1955).

3.3.1. O Desgaste em Discos de Freio sabido que os discos de freio so comumente feitos de ferro fundido. Os ensaios de discos que so feitos com ajuda de pinos (para simular o desgaste) so, em sua maioria, feitos apenas com variaes desse tipo de material. Para esses casos, existem diferentes mecanismos de desgaste: abrasivos, adesivos e oxidativos. Segundo Liu (1995), quando duas superfcies entram em contato num ambiente propenso oxidao, ocorrem reaes na superfcie que acabam por gerar filmes de xido, que acabam por serem removidos e recriados consecutivamente, e isso promove o desgaste oxidativo. No incio, o desgaste se dar por adeso, mas com o passar do tempo, esses mesmos xidos removidos passaram a ser detritos que causam o desgaste abrasivo. Foi tambm observado por esse autor, que se o ferro fundido em questo tiver alta resistncia trao e alta dureza, de forma que acaba dificultando a adeso e o microcorte, o filme de xido ter tempo suficiente para que atinja uma espessura crtica. Depois, devido s tenses, ele se destacar da superfcie de contato, quebrando-se em forma de lascas ou debris que podero atuar como partculas abrasivas. Assim, a oxidao ir elevar a taxa de desgaste do ferro fundido em uma atmosfera de condies normais. Para o caso de o ferro fundido ter baixa resistncia trao e baixa dureza, o desgaste vai ocorrer na forma de adeso e microcorte. Neste caso, a adeso ser a principal causa de desgaste e os filmes de xido sero benficos, reduzindo a tendncia adeso. Liu verificou que a resistncia ao desgaste oxidativo dos ferros fundidos vermiculares superior a dos ferros fundidos cinzentos, isso porque os ferros fundidos vermiculares geralmente apresentam maior resistncia trao e maior dureza. Dessa forma, o desgaste adesivo, que mais forte que o oxidativo, acaba no sendo o mecanismo de desgaste predominante. Com relao resistncia ao desgaste, Zhang (1993) tambm afirma que a resistncia ao desgaste por deslizamento de ferros fundidos com grafita vermicular superior de ferros fundidos cinzentos ou nodulares, independentemente da presso de contacto ou velocidade de deslizamento. Isto se deve excelente combinao de alta resistncia mecnica e boa capacidade de transferncia de calor que d ao material uma boa resistncia ao lascamento das superfcies por fadiga trmica [ZHANG, 1993]. Estudos de resistncia ao desgaste

mostraram que em ensaios tipo pino no disco, a resistncia ao desgaste do ferro fundido com grafita vermicular, pode ser superior a alguns ferros fundidos cinzentos comumente usados em discos de freio. Uma das desvantagens observadas no ferro fundido vermicular foi as altas temperaturas atingidas durante os testes, cerca de 45% maiores que as temperaturas alcanadas pelos ferros fundidos cinzentos [CUEVA, 2000]. O desgaste no disco de freio, tambm dever ser causado pela pastilha escolhida e por outros vrios fatores externos. Podem ser colocadas protees a esses fatores, porm quando em excesso, a proteo poder comprometer a taxa de resfriamento dos componentes ou reter detritos de desgaste, o que provocaria um maior desgaste no disco.

3.3.2. Ensaio do Desgaste em Discos de Freio Cueva realizou ensaios de discos de freio de diferentes materiais para estudar o comportamento de um disco submetido frenagem. A presso que um disco de freio pode receber varia entre 2 e 4 Mpa, segundo Epsito e Thrower (1991). Para o ensaio realizado, foram estudados um ferro fundido com grafita vermicular (Vermic) e trs ferros fundidos cinzentos: um denominado Fe250, um de alto teor carbono (FeAC) e outro ligado com Ti (FeTi). Os ensaios de desgaste foram feitos numa mquina de ensaios de desgaste tipo pino no disco, acoplado a um computador, Marca Plint, com sistema pneumtico de aplicao de carga e capacidade mxima de 1000 N. Na figura mais abaixo so mostrados esquematicamente a mquina e seus acessrios. Os pinos foram fabricados a partir de pastilhas de freio que equipam os caminhes Sprinter da Mercedes Benz, com base quadrada (rea = 144 mm2) e acabamento superficial em lixa 400. Os discos de ferro fundido foram fabricados com 70 mm de dimetro, 7 mm de espessura e acabamento superficial de 1 m. Os ensaios de desgaste foram realizados da seguinte maneira: enquanto o disco girava aFigura 3.3.6 Representao da mquina de ensaio dos discos.

500 rpm foi submetido a uma presso cclica de frenagem de 4 MPa. O ciclo total de frenagem foi de 4 min sendo que durante 1 min foi aplicada a presso de frenagem e nos 3 min restantes o disco girou descarregado. Durante os ciclos de frenagem o sistema pino disco foi resfriado por conveco forada atravs de um ventilador. O tempo total de ensaio foi de 20 horas, completando-se nesse intervalo 300 ciclos de frenagem (carregamento-descarregamento). O ensaio foi interrompido depois de 7 e 20 horas para serem realizadas medidas de perda de massa dos discos e dos pinos, usando-se uma balana Marca Scientech de 0,0001g de preciso. Durante os ciclos de frenagem foram determinados tambm, as temperaturas alcanadas pelos pinos e os discos atravs de termopares inseridos nos pinos. Foram registradas as foras normais e tangenciais e foi calculado o coeficiente de atrito. O desgaste dos discos e dos pinos foi calculado atravs da perda de massa acumulada durante os ciclos de frenagem dividida pela rea de contato do pino. O desgaste encontrado nos discos est representado na figura 3.3.7. O desgaste dos pinos tambm deve ser levado em considerao.

Figura 3.3.7 Desgaste dos discos com relao ao tempo [CUEVA, 2000]

Figura 3.3.8 Desgaste do pino em relao ao tempo. [CUEVA, 2000]

Observando os grficos dos resultados, percebe-se que no ocorreu o esperado, em que o ferro fundido vermicular, que tem melhores propriedades mecnicas que os ferros fundidos cinzentos, apresentaria tambm as melhores propriedades de resistncia ao desgaste. A razo para este acontecimento pode estar relacionada com o menor teor de grafita que possui, que faz com que as camadas de grafita lubrificantes sejam mais finas ou descontnuas, deixando a matriz mais exposta ao processo de desgaste, promovendo maiores perdas de massa. Alm disso, a ferrita presente na microestrutura, de dureza menor, seria rapidamente arrancada da superfcie dos

discos, devido s altas foras de atrito atuantes, facilitada ainda pelas elevadas temperaturas e a lenta dissipao de calor. Por fim, observou-se tambm que os pinos se desgastaram relativamente da mesma forma que os diferentes discos ensaiados, ou seja, o material que teve o menor desgaste tambm teve o pino com menor desgaste no ensaio. Ao final dos ensaios de desgaste, observou-se as superfcies dos discos. Algumas das caractersticas das superfcies ao final do processo, esto caracterizadas a baixo.

Figura 3.3.9 Detritos do pino (pastilha) aderidos superfcie desgastada [CUEVA, 2000].

Figura 3.3.10 As lamelas de grafita funcionam como depsitos de detritos, onde o acmulo destes forma camadas que servem como lubrificante, protegendo as superfcies do desgaste [CUEVA, 2000].

Figura 3.3.11 Riscos mais profundos nas superfcies desgastadas, devidos ao desgaste abrasivo. As lamelas de grafita podem ser cobertas pela matriz metlica que se deforma plasticamente [CUEVA, 2000].

3.4 Vibraes Os primeiros estudos sobre vibraes de freios datam de 1935, formulaes baseados matemticas em e

alguns dados experimentais. No caso, sugeria-se que o fenmeno de vibrao estava diretamente relacionado com o coeficiente de atrito

decrescente medida que se aumenta a velocidade entre as duas superfcies em contato. Alguns dados posteriores,Figura 3.4.1 Holografia de um sistema de freios. No caso, o rotor estava em uma rotao de 10rpm, a vibrao na superfcie do rotor possui 8 dimetros nodais e a freqncia de vibrao registrada de 10750 Hz. [KINKAID, 2003].

como holografias e anlises por

elementos finitos, forneceram uma descrio mais detalhada sobre o comportamento vibratrio de cada componente do mecanismo. Isso mostrou que as vibraes ocorridas no sistema de freio so resultados de uma interao de diversos fatores: a variao do coeficiente de atrito como uma funo da velocidade relativa entre as superfcies de contato (no caso de freio a disco ou tambor) e da temperatura; as massas de cada componente; as molas equivalentes e os amortecedores que compem o determinado mecanismo [ORTHWEIN, 1986]. As causas da vibrao so costumeiramente classificadas em trs tipos. O primeiro trata-se de vibraes foradas, como um impulso, podendo ser causada por lombadas ou qualquer outro tipo de fenmeno semelhante nas rodas. O segundo tipo constituise de vibraes causadas pelas caractersticas de atrito entre os materiais do freio em contato, no caso, o disco e a pastilha. Por ltimo, temos as vibraes causadas pela ressonncia dos componentes de freio, que, no caso, resulta em rudos agudos e estridentes que podem ser ouvidos [JACOBSSON, 2003]. Como conseqncia das vibraes do disco na estrutura do sistema, podemos ter um maior desgaste do material devido fadiga. Em casos de ressonncia, o efeito

perceptvel na forma de rudos. Assim, deve-se evitar, principalmente, as vibraes de maior amplitude e maior freqncia. Contudo, o campo das vibraes do sistema de freio ainda muito indefinido e confuso, havendo divergncias entre inmeros modelos tericos e experimentais propostos. necessria muita pesquisa para se obter resultados mais concretos [JACOBSSON, 2003].

3.5 Rudo O rudo pode ser classificado simplesmente como sendo uma vibrao cuja freqncia auditiva. Pelo fato de que a energia dissipada pelo som geralmente muito pequena, mecanicamente os efeitos do rudo na estrutura do freio possuem pouca importncia, mas no que diz respeito comodidade e conforto dos usurios estes assumem um valor relevante. Na verdade, quaseFigura 3.5.1 Foto de um equipamento de teste.

toda a energia dissipada por um sistema de freios se d na forma de calor. Nenhum rudo gerado quando o coeficiente de atrito est abaixo de um certo valor crtico limite (squeal threshold). O nvel do limite depende da arquitetura do sistema de freio, de seus parmetros, dos materiais utilizados e de suas caractersticas de atrito. Acima desse valor, entretanto, a gerao de rudo no certa. Com uma srie de condies iniciais, existe apenas uma probabilidade de ocorrer rudo auditvel. Apenas abaixo do valor crtico que essa probabilidade nula. Os rudos de um sistema de freio podem ser descritos como um som irritante cuja freqncia principal varia de 1 a 20 kHz. Isso acontece em baixas velocidades do veculo (abaixo de 30 km/h) e baixas presses de freio (abaixo de 20 bar).Figura 3.5.2 Resultado demonstrativo de um teste de rudo. Rudos so registrados ao final do acionamento do freio, no tempo de 25 a 30 segundos [ERIKSSON, 2000].

Visando conhecer o nvel de rudo que o freio est emitindo, possvel realizar um teste de rudo. Nesse teste um dinammetro conectado no disco de freio atravs do eixo, sendo capaz de fornecer as ressonncias de vibrao. Durante o teste, as presses de freio, o torque, as temperaturas, a intensidade do som e a umidade relativa do ar so registrados. Mesmo assim, tratando-se de um estudo de rudos de freio, a geometria e a escala dos modelos so de suma importncia. Uma miniatura de freio nunca dar as mesmas freqncias de ressonncia do que um componente real. Apesar de muito tempo de desenvolvimento dos sistemas de freios, o rudo emitido pelo disco de freio continua como um grande problema a ser solucionado. Mas no se pode dizer que no houve progresso nessa rea. Muitos estudos experimentais e analticos tm contribudo para uma diminuio do rudo emitido.

3.6 Resistncia Trmica e Mecnica O sistema de freio tem como funo reduzir a velocidade de um veculo ou mant-la quando este est em um declive, portanto, sem o freio no se consegue controlar o veculo. Da sua extrema importncia. Na verdade, o que o sistema de freio faz , numa frenagem, transformar a energia cintica do automvel em energia trmica (ou de superfcie pelo desgaste dos componentes do freio), diminuindo assim suaFigura 3.6.1 Distribuio de temperaturas no disco no tempo [Angus, 1966].

velocidade. Durante esse processo, o disco de freio est sujeito a elevados gradientes trmicos (Fig 3.6.1) e a elevadas temperaturas (Fig 3.6.2), o que pode desencadear um processo de fadiga trmica [HOHMANN et al., 1999].Figura 3.6.2 Disco de freio em processo de dissipao de energia por irradiao decorrente das temperaturas elevadas.

No processo de transformao de energia (Cintica Trmica), as pastilhas de freio so pressionadas contra o disco, que por atrito recebe energia e produz calor. Ao esquentar, formam se na superfcie do rotor pontos de alta temperatura (hot spots), estabelecendo, assim, um alto gradiente de temperatura. Devido a este elevado gradiente de temperatura o disco sofre tenses de compresso, o que acaba por

Figura 3.6.3 Temperatura na espessura no disco de freio em funo do nmero de frenagens.

provocar deformaes plsticas no material. Assim, quando o disco esfria, tenses residuais se formam [YAMABE et al., 2002], favorecendo, a formao de defeitos. Este fenmeno pode ser observado na Figura 3.6.3 [CHOI et al., 2004]. A conseqncia da formao de hot spots o surgimento de trincas na superfcie do disco. As tenses trmicas originadas fazem com que a superfcie do disco se expanda. A Figura 3.6.1 mostra a variao da temperatura no tempo em diferentes pontos de um disco de freio. O interior permanece abaixo do limite plstico do material, e, com o resfriamento, retorna ao seu comprimento normal. Em contrapartida, depois que a superfcie sofre deformao plstica de compresso, ela submetida contrao trmica, resultando em tenses que so responsveis pela formao de trincas (Figura 3.6.4). Sob condies reais, este processo se repete inmeras vezes e as trincas, conseqentemente, continuam a crescer. [JIMBO et al., 1990].Figura 3.6.4 Ilustrao da formao de trincas devido s tenses trmicas [JIMBO et al., 1990].

interessante mencionar que grandes variaes de temperatura resultam em dois possveis casos: choques trmicos que geram trincas superficiais e/ou grande quantidade de deformaes plsticas no disco de freio. No campo dos choques trmicos, um nmero relativamente pequeno de ciclos de desaceleraes de grande intensidade (fadiga de baixo ciclo), pode gerar trincas macroscpicas ao longo da direo radial que chegam a atravessar aFigura 3.6.5 Disco de freio frontal de uma Pickup Ford F-250. Trincas passantes so vistas na direo radial do disco. [MACKIN et al., 2002].

espessura do disco (Figura 3.6.5).

Porm, a fratura do disco de freio tambm pode ser decorrente de fadiga termomecnica, o que faz com que o disco frature com um nmero maior de ciclos (fadiga de alto ciclo). [MACKIN et al., 2002]. Para que esse processo ocorra necessrio que a tenso provocada seja maior do que um limite (limite de fadiga trmica). Recentemente um alto limite de fadiga trmica (e) (Fig 3.6.6) tem sido uma dasFigura 3.6.6 Curva S-N (Tenso x Nmero de ciclos)

caractersticas mais procuradas em discos de freio [YAMABE et al., 2002]. Como supra citado, quando o sistema de freio ativado, as pastilhas de freio so pressionadas contra o rotor havendo transferncia de energia. Nesse processo, alm das tenses trmicas, o disco sofre, tambm, altas tenses de natureza mecnica, que se erroneamente analisadas, podem levar a acidentes. Da a necessidade de se analisar no s as solicitaes trmicas, como tambm as mecnicas. Usualmente, usa-se para tal aplicao, ferro fundido cinzento. Esse material largamente usado, pois rene uma srie de caractersticas de interesse, tais como [YAMABE et al., 2002]: Alto limite de fadiga trmica;

Boa resistncia; Boa resistncia ao desgaste; Boa condutividade trmica; Baixa tendncia a vibraes.

3.7. Fatores Externos Nos freios automotivos, em funo da geometria da pastilha, a relao entre o coeficiente de atrito na interface pastilha-disco e o torque produzido no linear. Dessa forma, quando se estuda freios, alm de analisar o coeficiente de atrito, costuma-se definir outro parmetro mais apropriado: a eficcia. A eficcia de um sistema de frenagem definida como a razo entre o torque obtido com a ao do atrito do freio pela fora aplicada e permite uma descrio da performance do freio. A qualidade do material de frico no significa necessariamente um alto coeficiente de atrito, pois muitas vezes uma ao excessiva do freio representa perigo de travamento das rodas e perda de dirigibilidade (desconsiderando a existncia de um sistema auxiliar de controle como o ABS). A confiabilidade e a estabilidade de atrito so fatores primordiais num projeto, devendo apresentar consistncia ao longo de toda a vida do material. Por essa razo as caractersticas do freio devem se manter aproximadamente constantes para uma faixa de temperatura correspondente operao. Isso algo bastante complicado, uma vez que a variao de temperatura influencia diretamente no valor do coeficiente de atrito. Desse modo, percebe-se que o desempenho de um sistema de frenagem sofre grande influncia de parmetros variveis, tais como, condies e temperaturas de funcionamento, presena de contaminantes, tempo de uso do sistema, etc. Todos estes fatores, apesar de no serem totalmente causados pelo meio externo, esto reunidos nesta seo. importante frisar que no existe uma pastilha que oferea melhor desempenho em todas as condies de uso, isto , cada tipo est restrito a uma condio especificada. Cada qual possui uma temperatura tima de operao, logo, de nada adianta colocar uma pastilha esportiva num carro de passeio, pois a temperatura ideal para o

funcionamento desse tipo de pastilha dificilmente seria atingida num carro de passeio, diminuindo sua eficcia e aumentando o desgaste do disco.

3.7.1. Sensibilidade ao Meio-Ambiente Certos contaminantes, como a gua, o leo, a poeira e a oxidao alteram a eficcia do freio, pois modificam a interface entre o disco e a pastilha, podendo alterar a rea efetiva de contato ou caractersticas como o coeficiente de atrito. Dependendo da espessura do filme de leo, por exemplo, podemos ter um aumento do coeficiente de atrito (o que pode travar as rodas) ou a sua diminuio (perda de eficcia). J uma pequena quantidade de leo, junto com gua, aumenta a ao lubrificante, reduzindo o desgaste do disco. Qualquer alterao ou evento externo que passe a atuar no sistema, demanda um longo perodo de tempo para que o freio recupere suas capacidades originais, isso quando a recuperao possvel.

3.7.2. Condies de Operao 3.7.2.1. Fade e Recuperao A eficcia de um sistema de freios depende tambm do seu regime de operao, ou seja, com que freqncia o condutor do veculo aciona o freio e as caractersticas desse acionamento. Todo material atritado, quando submetido a

trabalho em temperaturas elevadas, at 350 C, por exemplo, reduo no apresenta seuFigura 3.7.1 Efeito da elevao da temperatura no coeficiente de atrito em duas condies de uso.

coeficiente de atrito. A este fato chamamos de

fade. Esta reduo no coeficiente de atrito, entretanto, deve manter-se dentro de limites tolerveis de modo que o conjunto ainda apresente um bom desempenho.

Resfriando o material at a temperatura ambiente aps um ensaio de fade e fazendo novas medies do coeficiente de atrito, os valores obtidos devem ser similares queles que eram obtidos antes do ensaio. A este fenmeno d-se o nome de recuperao.

3.7.2.2. Green Effectiveness Quando o material da pastilha novo, ele ainda no se encontra polido e seu contato com o disco de freio no apresenta um bom assentamento. A pastilha nova apresenta, portanto, uma menor eficcia e uma maior variao de desempenho.

3.7.2.3. Sensibilidade Velocidade Todas as pastilhas de freio apresentam variao de desempenho de frenagem com a velocidade do disco de freio. A sensibilidade velocidade varia com o tipo de material e com a sua composio, bem como com a temperatura, presso e seu histrico de uso.

4. SISTEMAS DE FREIO AUTOMOTIVOS 4.1. Freio a Disco O freio a disco o melhor sistema de frenagem existente na atualidade. Este sistema empregado em uma grande variedade de veculos, desde carros de passeio at locomotivas e avies de grande porte. Os freios a disco tm longa vida til, so autoajustveis, pouco afetados pela gua, leves e, ainda, apresentam menor dilatao e melhor equilbrio das presses exercidas quando comparados com outros sistemas de frenagem. Atualmente, so utilizados em todos os automveis nas rodas dianteiras, no entanto, devido ao seu considervel custo de fabricao, no esto presentes nas rodas traseiras de modelos pequenos e mdios (que usam freio a tambor no eixo traseiro em vez de freio disco) [THE FAMILY CAR] [BEST CARS WEB SITE]. 4.1.1. Componentes O sistema de frenagem a disco composto de componentes hidrulicos e de frico. Os componentes hidrulicos tm a funo de acionar o sistema de frico e de amplificar a fora aplicada pelo motorista ao pedal de modo a torn-la suficiente para parar o veculo. Os componentes de frico so todos aqueles que agem utilizando o atrito entre as peas para efetuar a frenagem do automvel [CARRO E CIA]. Os principais componentes hidrulicos do sistema so: Reservatrio (reservoir): Armazena o fluido de freio. Possui uma entrada que permite que mais fluido seja colocado quando o nvel do mesmo encontra-se baixo. Localiza-se logo acima do cilindro mestre [THE FAMILY CAR] [BOSCH]. Cilindro mestre (master cylinder): Est localizado junto ao motor, frente do assento do motorista. Tem a funo de gerar a presso hidrulica para todo o sistema de freio. composto por duas cmaras sendo que cada uma delas responsvel pela frenagem de duas rodas. Desse modo, mesmo se uma das cmaras falhar, o motorista ainda conseguir parar o veculo [THE FAMILY CAR] [BOSCH]. Fluido de freio (brake fluid): um leo especial com algumas propriedades especficas, por exemplo, no congela a baixas temperaturas e nem ferve aFigura 4.1 Cilindro Mestre e Reservatrio [THE FAMILY CAR]

temperaturas mais elevadas. Por ser incompressvel, transmite a presso hidrulica gerada atravs do acionamento do pedal aos componentes de frico [THE FAMILY CAR] [BOSCH]. Tubulao (brake lines): O fluido de freio escoa a partir do cilindro mestre atravs de uma srie de tubos de ao e mangueiras de borracha reforadas. Estas mangueiras so utilizadas em locais onde se precisa de flexibilidade, ou seja, nas regies mais prximas das rodas [THE FAMILY CAR] [BOSCH]. Vlvula reguladora de presso (proportioning valve): Localiza-se entre o cilindro mestre e o sistema de freios das rodas traseiras. Sua funo ajustar a presso entre os freios dianteiros e traseiros dependendo da maneira com a qual o motorista aciona o pedal [THE FAMILY CAR] [BOSCH]. Dentre os componentes de frico, destacam-se os seguintes: Pastilhas (pads): Existem duas pastilhas montadas sobre cada uma das pinas, uma de cada lado do disco. Tm a funo de transmitir a fora do sistema hidrulico para o disco e, atravs do atrito resultante, realizar a parada da roda. Antigamente eram fabricadas em amiantoFigura. 4.2 Pastilhas [BOSCH]

devido as suas boas propriedades trmicas e por ser um material silencioso quando submetido a condies de atrito, no entanto, por ser um material cancergeno, o amianto no utilizado atualmente e novos materiais para este fim tm sido empregados. Pastilhas de diferentes materiais apresentam vida til e nvel de rudo distintos [THE FAMILY CAR] [BOSCH]. Disco (disk): Normalmente feito de ao e fabricado por usinagem. Sua funo de realizar a parada da roda atravs do atrito resultante do contato com as pastilhas alm de contribuir na dissipao do calor gerado [THE FAMILY CAR] [BOSCH]. Pina (caliper): a pea responsvel pela transmisso de fora s pastilhas. Dentro da pina existe uma espcie de mbolo que pressiona asFigura 4.4 Esquema de Pina [THE FAMILY CAR] Figura 4.3 Discos [BOSCH]

pastilhas contra o disco quando o pedal de freio acionado [THE FAMILY CAR] [BOSCH]. 4.1.2. Mecanismo e Funcionamento Quando o pedal de freio acionado, um mbolo localizado no cilindro mestre fora o fluido de freio a escoar pela tubulao. O fluido passa pelas vlvulas reguladoras at atingir o sistema de frenagem de cada roda. Como o fluido incompressvel, empurr-lo por um tubo o mesmo que empurrar um slido qualquer peloFigura 4.5 Esquema do Mecanismo do Freio a Disco [THE FAMILY CAR]

mesmo tubo. No entanto, o fluido pode fazer curvas e passar por

bifurcaes, chegando s rodas com a mesma presso aplicada pelo mbolo do cilindro mestre. Em cada uma das rodas, o fluido aciona o mbolo da pina, que, por sua vez, pressiona as pastilhas contra o disco. A presso de contato entre as pastilhas e o disco gera uma fora de atrito que diminui a velocidade do veculo, fazendo-o parar [THE FAMILY CAR].

4.2. Freio a Tambor O sistema de freio a tambor utilizado principalmente nas rodas traseiras de veculos leves. Em modelos mais antigos tambm so utilizados na parte dianteira [CARRO E CIA]. Os componentes principais deste sistema so: o tambor, a sapata, a lona, o cilindro de roda, as molas de retorno e o sistema de ajuste automtico [THE FAMILY CAR]. Quando o pedal acionado, o fluido de freio forado, sobre presso, para o cilindro de roda, o qual, por sua vez, empurra a sapata e a lona, que entra em contato com a superfcie interna do tambor. Quando a presso aliviada, as molas de retorno puxam a sapata e a lona de volta para sua posio inicial. Para garantir que no ocorra atrito na posio inicial, as sapatas e lonas precisam percorrer uma distncia relativamente longa para atingir o tambor quando o freio acionado. Aps um certo

deslocamento do conjunto sapata-lona, um mecanismo de auto-ajuste acionado de forma que o conjunto citado encontre uma posio de equilbrio, em atrito com o tambor, proporcionando estabilidade frenagem [THE FAMILY CAR]. O freio a tambor tambm utilizado como freio de estacionamento,Figura 4.6 Mecanismo do Freio de Mo [HOW STUFF WORKS]

popularmente chamado de freio de mo. Esse sistema controla os freios traseiros atravs de uma srie de cabos de ao acionados por uma alavanca de mo ou por um pedal. O sistema projetado para ser completamente mecnico e um caminho alternativo ao sistema hidrulico, de modo que o veiculo possa parar mesmo se houver uma falha total no sistema de freios. Os

Figura 4.7 Freio a Tambor com o Tambor Montado [HOW STUFF WORKS]

cabos acionam uma alavanca montada diretamente no conjunto sapata-lona, o que torna desnecessrio o sistema hidrulico [THE FAMILY CAR].

4.2.1. Principais Componentes 4.2.1.1. Tambor O tambor tem como funo prover atrito com a lona no momento da frenagem. Como esse atrito gera calor, o tambor tambm responsvel pela dissipao do calor gerado na frenagem. O tambor deve ter suficiente condutividade trmica e ainda resistir fadiga causada pela diferena de temperatura entre a superfcie interior e exterior. Na superfcie interna do tambor ocorre o contato entre o mesmo e a lona de freio. Para uma frenagem eficiente necessrio que esse contato seja superior a 90% da rea de trabalho da lona [ACDELCO]. Em operao, o tambor de freio se dilata devido ao efeito das foras radiais e pelo aumento de temperatura. Isto provoca uma diferena no raio de curvatura interno do

tambor em relao ao raio de curvatura externo da sapata, aumentando os pontos de presso localizada [BOSCH].

Figura 4.8 Perspectiva Explodida do Mecanismo de Freio a Tambor [THE FAMILY CAR]

Tambores possuem um dimetro mximo especificado que est estampado na sua superfcie. Quando montado, esse dimetro nunca deve ser excedido, pois se isso ocorrer a lona no ter contato suficiente para a frenagem [THE FAMILY CAR]. 4.2.1.2. Lona e Sapata O conjunto sapata-lona, da mesma forma que a pastilha, tem a funo de transmitir a fora do sistema hidrulico (ou do sistema mecnico a cabo) para o tambor e, atravs do atrito resultante, realizar a parada das rodas [BOSCH]. Para uma boa durabilidade e frenagem, a lona deve ter como caractersticasFigura 4.9 Conjunto Lona/Sapata [BOSCH]

principais: estabilidade do coeficiente de atrito, baixa absoro de gua, no se comprimir com a presso exercida pelo cilindro de roda [BOSCH]. A sapata tem como funo prover uma superfcie slida entre o cilindro de roda e a lona, para que ocorra uma melhor distribuio da presso transmitida do primeiro para o segundo.

4.2.1.3. Cilindro de Roda O Cilindro de Roda transforma a presso hidrulica em fora mecnica transmitida para as sapatas e lonas, que soFigura 4.10 Exemplos de Cilindros de Roda [BOSCH]

empurradas contra o tambor, parando a

roda. O funcionamento do cilindro de roda dividido em trs partes advindas de sua posio: Posio de Repouso, Posio de Acionamento, Posio de Retorno. 4.2.1.4. Molas de Retorno As molas de retorno tm como funo caracterstica puxar o conjunto lona-sapata de volta para sua posio inicial aps a presso do cilindro de roda ter sido aliviada [THE FAMILY CAR]. 4.2.1.5. Sistema de Ajuste Automtico O sistema de ajuste automtico tem a funo de manter o conjunto lona-sapata junto ao tambor durante a frenagem. necessrio porque da mesma forma que a lona empurra a parte interior do tambor, a mesma reage e empurra a lona para dentro, causando instabilidade corrigida pelo ajuste automtico [THE FAMILY CAR]. Um mal funcionamento desse sistema percebido pelo maior deslocamento do pedal para se obter uma boa frenagem [THE FAMILY CAR].

4.3. Freio ABS Paralelamente busca pelo melhor desempenho, ganhos em segurana tm sido outra meta da indstria automobilstica. Em se tratando de freios, um desses ganhos foi o ABS (Anti-lock Brake System) ou sistema de freios anti-travamento [BEST CARS WEB SITE]. sabido que possvel parar um veculo percorrendo-se uma menor distncia quando se alivia a presso no pedal assim que se percebe que as rodas param de girar e passam a derrapar. Quando elas voltam a girar, deve-se pisar fortemente no pedal, repetindo o processo. Esse mtodo conhecido popularmente por frear bombando o pedal. Quanto maior for a freqncia do ciclo pisar-aliviar, maior ser a eficincia da frenagem (e a distncia percorrida ser menor). O ABS baseado neste mtodo e chega a completar o ciclo descrito acima mais de dez vezes por segundo, muito mais

rpido que qualquer humano conseguiria bombar [THE FAMILY CAR] [BEST CARS WEB SITE]. O ABS composto por sensores eletrnicos de rotao instalados junto s rodas (os sistemas de trs canais, em vez de quatro, utilizam um nico sensor para as rodas traseiras por questo de economia), um microprocessador central e um modulador hidrulico (conjunto de vlvulas eletromagnticas). Quando os sensores detectam o travamento de uma das rodas, enviam um sinal para a central, que passa ao modulador as instrues para aumentar ou reduzir a presso do fluido sobre cada cilindro de roda. O ABS pode, se necessrio, chegar a soltar totalmente os freios de uma roda e manter a presso sobre as demais. Tudo em fraes de segundo e sem que o motorista perceba qualquer atuao, salvo uma ligeira pulsao no pedal de freio, que normal e no significa que se deva aliviar a presso do p. importante ressaltar que, apesar de o motorista estar acionando o pedal de freio com fora total ele no perde o controle do automvel porque no h derrapagem [BEST CARS WEB SITE].

4.4. Comparao entre os Sistemas de Freio Automotivos Diferentemente dos freios a tambor, o sistema a disco naturalmente ajustado, e no requer nenhum tipo de mecanismo especial para isso. Por essa razo a eficincia de frenagem dos freios a disco muito maior do que a dos freios a tambor. Nos freios a disco equipados com sistema ABS, onde um comando eletrnico no permite o travamento das rodas, a segurana para os passageiros muito maior, pois mesmo em frenagens muito bruscas o motorista nunca perde o controle do veculo. Porm, um grande limitador para a maior difuso desse sistema no mercado o seu custo, ainda muito elevado em relao ao disco comum e ao tambor. A principal questo a ser feita quando so comparados os tipos de freios automotivos a seguinte: Se os freios a disco, especialmente aqueles com sistema ABS, so to eficientes e estveis, porque na maioria dos carros os freios traseiros so a tambor? A resposta o custo. O freio a tambor mais barato para se fabricar que os freios a disco, por isso ainda so instalados nas rodas traseiras da maioria dos veculos. Outra razo, talvez a principal, o freio-de-mo (ou freio de estacionamento). Nos freios a tambor, adicionar um freio-de-mo simplesmente adicionar uma alavanca,

enquanto que nos freios a disco, necessria a construo de um mecanismo completo [THE FAMILY CAR]. Portanto conclui-se que dentre os mecanismos de freios hoje existentes o que oferece maior segurana aos usurios o sistema de freio a disco com ABS (nas quatro rodas), seguido pelo disco comum e pelo tambor. Porm, o fator custo primordial na hora das montadoras escolherem qual mecanismo colocar em seus carros. Dessa forma, instalar o sistema a disco nas rodas dianteiras e o freio a tambor nas rodas traseiras uma maneira eficiente de combinar as qualidades e deficincias desses dois sistemas.

5. SELEO DE MATERIAIS PARA O FREIO A DISCO 5.1. Resistncia Mecnica [MACKIN et al., 2002] 5.1.1 ndice de Desempenho

Figura 5.1.1 - Diagrama de Corpo Livre de uma Roda (rotor + pneu).

Aplicando as equaes de equilbrio, obtm-se:

F F F

X

= Fresul tan te = M a x = Faxial 2 Frotor F pneu = N W = 0 N = W =0

Y

Z

M

o

= 2 Frotor

D pneu Drotor F pneu = I rotor 2 2

Na desacelerao: V = Vo + a x tax = Vo ts

como V=0 (parada total):

A velocidade V (m/s) do carro corresponde a W (rad/s) do rotor, que igual velocidade de rotao do pneu: 2 V D V V = W = 2 rotor Vrotor (t ) = rotor (Vo o t ) D pneu Drotor D pneu ts

A seguir, considera-se que a roda analisada recebe C% da carga da frenagem (ou parcela da energia a ser dissipada por um disco na forma de energia trmica), assim, pela abordagem energtica: Ec (carro) = Pot (dissipada no rotor)s 1 C M Vo2 = 2 Frotor Vrotor dt 2 0

t

D V 1 1 C M Vo2 = 2 Frotor rotor (Vo t s o t s2 ) 2 D pneu ts 2 Assim:Frotor = C M Vo2 D pneu Drotor Vo t s

A fim de selecionar o melhor material para o disco de freio, necessrio determinar o ndice de desempenho: Funo Objetivo Dissipar a energia cintica do carro na frenagem. Minimizar massa, minimizar o tempo de frenagem e maximizar o tamanho crtico de trincas. Constantes Massa do veculo. Distribuio de carga de frenagem (C). Geometria do rotor e do pneu. Velocidade do automvel.

Tabela 5.1 Caractersticas para Obteno do ndice de Desempenho

Deve-se ter, ento:ts = C M Vo2 D pneu Drotor Vo Frotor

Frotor =

eA pastilha

mrotor

2 Drotor = e 4 onde e = espessura do disco

K a c = IC e

1

2

Obtm-se, ento:ts = C M Vo2 D pneu Vo Frotor 4 mrotor e t s mrotor = C M Vo2 D pneu Vo = Vo C M Vo2 D pneu K IC A pastilha a c 4 e

eA pastilha

4

e

mrotor ts = ac

1 4 K IC Vo e A pastilha C M Vo2 D pneu

Logo:

t s mrotor 1 = ac K IC M

Conclui-se que: ndice de Desempenho 5.1.2 Seleo de Materiais

M =

2 K IC

Figura 5.1.2 - Carta de seleo de materiais (Mdulo de tenacidade X Densidade) [Ashby, 1999].

Conforme mostrado na Figura 5.1.2, os melhores materiais no quesito resistncia mecnica so: GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) Polmero com fibra de vidro; Steels (Aos); Ligas de Cobre; Ligas de Titnio.

5.2 Fadiga Trmica:

Para efeito de clculo, considera-se que o disco como um todo tem a mesma temperatura, mas que esta varia com o tempo. Assim sendo, sero feitos clculos usando uma analogia de vasos de presso com ajuste por retrao. Como a fadiga dos materiais depende diretamente da amplitude de carga nele aplicada e esta carga est diretamente ligada s variaes de temperatura por um fator , pode-se dizer que quanto menor o T, menores sero as tenses aplicadas e, conseqentemente, menor ser a tendncia ocorrncia da fadiga no disco de freio.

5.2.1 ndice de Desempenho

Funo Objetivo

Dissipar a energia cintica do carro na frenagem. Maximizar a variao de Temperaturas. Espessura do disco. Propriedades dos materiais.

Constantes

Tabela 5.2 Caractersticas para Obteno do ndice de Desempenho

Figura 5.2.1 - Conjunto disco-cubo; diagramas de corpo livre do disco e do cubo

Se o rotor pudesse expandir livremente:b' = b T

Da teoria da elasticidade e considerando uma situao de E.P.D. (estado plano de deformaes) observa-se que para um vaso s com presso interna (rotor):

a 2 + b 2 P b = b 2 a b 2 E e que para um vaso com raio interno igual a zero (cubo) e somente com presso externa:

c =

P c (1 ) E

Assim, a soma dessas deformaes deve ser igual deformao livre do rotor.b' = b + c

b T =

a 2 + b 2 P b 2 2 E a b

P + b (1 ) E

Assim:P= a 2 + b 2 P + 1 T = 2 2 a 2 + b 2 a b E + 1 2 2 a b

T E

Como

Pmx =

eAcontato

obtm-se:

a 2 + b 2 + 1 2 2 a b e T = Acontato E

Logo:

T e E M=

ndice de Desempenho:

e E

5.2.2 Seleo de Materiais

Figura 5.2.2 - Carta de seleo de materiais (Tenso normalizada X Coeficiente de expanso trmica) [Ashby, 1999].

Como pode ser visto na Figura 5.2.2, os melhores materiais no quesito fadiga trmica so: Invar; Elastmeros; GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) Polmero com fibra de vidro; CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) Polmero com fibra de carbono; Diamante.

5.3 Atrito

Baseando-se no conhecimento da funo a ser cumprida pelo freio quando se trata de atrito, que de basicamente promover um canal de transmisso de potncia (basicamente transformar energia cintica em energia de superfcie e energia trmica), atrelado a um desgaste mecnico mnimo para maior durabilidade do sistema, e tendo um coeficiente de atrito desejado durante sua ao, promovendo a frenagem de um automvel em uma distncia percorrida desejada, foi escolhido o melhor material para construo das pastilhas e dos discos de freio. Com base na teoria exposta acima, e em resultados experimentais tambm mostrados, e com as propriedade