ELEMENTOS DE MÁQUINAS II

Freio a Disco

DANIELLA OLIVEIRA

MAICOM PETERS

MARCUS VINÍCIUS

RAFAEL DE ASSIS

VINÍCIUS SERAFIM

JUIZ DE FORA

2014

DANIELLA OLIVEIRA

MAICOM PETERS

MARCUS VINÍCIUS

RAFAEL ASSIS

VINÍCIUS SERAFIM

ELEMENTOS DE MÁQUINAS II

Freio a Disco

Relatório apresentado à Faculdade de

Engenharia Mecatrônica como requisito

parcial da disciplina de Elementos de

Máquinas II.

Professor: Renato Françoso de Ávila– Orientador

JUIZ DE FORA

2014

História:

Os primeiros freios eram constituídos por um dispositivo mecânico

simples; uma alavanca com pilotagem e uma sapata de madeira montada na

outra extremidade junto a roda, proporcionava a ação de frenagem.

Depois, com o passar dos anos, vieram os freios de cinta. Usualmente

eram constituídos por uma roda fixada ao centro do eixo traseiro do veículo e ao

redor dela uma cinta era montada, e sob as mesmas era inserido o material

atritante, que no início era o couro. O sistema de acionamento desses freios era

manual e feito através de simples alavanca presa a um suporte.

Os freios também foram evoluindo, seguindo, claro, a mesma evolução

dos veículos onde eram montados. O moderno conceito de Freio a Tambor

(Drum Brake) foi oportunamente inventado em 1902 pelo francês Louis Renault,

desenvolvido a partir de um sistema menos sofisticado que ele mesmo tinha

montado em um veículo Mayback 1901.

Os primeiros sendo acionados por alavanca, e posteriormente passou a

ser acionado por pressão hidráulica.

O grande salto na tecnologia de freios foi dado no início de 1900, quando

então em 1902 o inventor inglês Frederick Lanchester inventou o Freio a Disco.

Segundo pesquisas efetuadas em sites especializados, os freios a disco já eram

utilizados na Inglaterra no início de 1890, porem foi Frederick Lanchester que

patenteou o projeto desse freio e o aplicou em seu primeiro veículo.

Informações históricas (obtidas no site da National Bicycle History Archive

of America) garantem que o Freio a Disco foi originalmente idealizado para

bicicletas em 1876 pelos Ingleses Browett & Harrison. O sistema, que foi

patenteado e chamado de Caliper Brake, proporcionava uma frenagem efetiva

em velocidades mais altas.

Definição

Freios são equipamentos utilizados para diminuir ou cessar o movimento

de um eixo, transformando a energia cinética do eixo em energia térmica por

meio do atrito entre as pastilhas e o disco.

Aspectos construtivos

Os freios a disco são compostos basicamente por: Disco de freio; pastilha;

pinça.

O disco de freio pode ser classificados basicamente como disco solido,

ventilado, frisado, perfurado e combinações dessas classes. Os discos são

fixados no eixo a ser freado.

As pastilhas de freio, são encontradas em diversos formatos, de acordo

com a marca e o modelo do conjunto de freio, são compostas de uma base de

metal e uma camada de material que entrara em contato com o disco, material

que é responsável pelo atrito.

A pinça de freio é ligada a uma parte fixa do equipamento, ela é

responsável por alojar e segurar as pastilhas, nela contém o pistão que forçará

a pastilha contra o disco.

Atrito

O atrito é uma força na mesma direção do movimento, ou tendência, de

dois corpos, mas com o sentido contrário. É gerada pela asperidade dos corpos.

A força de atrito é sempre paralela às superfícies em interação e contrária ao

movimento relativo entre eles.

Apesar de sempre paralelo às superfícies em interação, o atrito entre

estas superfícies depende da força normal, a componente vertical da força de

contato; quanto maior for a Força Normal maior será o atrito. A energia dissipada

pelo atrito é, geralmente, convertida em energia térmica e/ou quebra de ligações

entre moléculas, como ocorre ao lixar alguma superfície.

Materiais de atrito

O material de atrito é uma união de matérias com mistura conforme

formulação. No caso de utilização em freios, deve estar capacitado para suportar

as seguintes condições, resistência ao impacto, tendo uma determinada dureza,

ser flexível com o objetivo de acompanhar as deformações, suportar

temperaturas sem grandes modificações físicas, ter um baixo coeficiente de

desgaste, emitir baixo nível de ruído, não ser muito abrasiva e ter um coeficiente

de atrito estável ao longo de seu uso.

O material de fricção de um sistema de freio é um dos mais complicados

materiais de compósitos e usualmente contém mais de dez ingredientes. Este é

desenvolvido para manter a força de fricção estável, dureza confiável e uma boa

resistência ao desgaste nas mais variadas condições de uso.

Os primeiros freios foram feitos de couro e de tecidos de algodão

impregnados com asfalto/borracha. A partir de 1905 o asbesto (ou amianto) foi

usado como material de fricção de guarnições, lonas de freios e discos de

embreagem para automóveis, caminhões, tratores..., devido a suas excelentes

características térmicas as quais lhe conferem boas propriedades, como material

de reforço, mas devido ao efeito cancerígeno em seres humanos o asbesto está

sendo proibido em diversos países. Logo, procura fibras para substituir o asbesto

como material de reforço.

Mecanismos de acionamento

Atualmente são encontrados com mais frequência, freios com

acionamentos mecânicos e hidráulicos.

Geralmente freios com acionamentos mecânicos, utilizam de alavancas

para ter a força de acionamento menor do que a de atuação.

Freios a disco com acionamentos hidráulicos, podem ter a acionamentos

que utilizam a pressão do ar para acionar um cilindro que por sua vez aciona o

pistão na pinça de freio, ou uma alavanca que faz esse acionamento. Todos

esses métodos servem para multiplicar a força usada no acionamento, os

cilindros hidráulicos utilizam o princípio de Pascal para aumentar a força.

Critérios de dimensionamentos

Dimensionamento dos acoplamentos por atrito:

Comprimento de um arco qualquer:

𝐶 =𝜋 ∗ 𝑟 ∗ 𝛼

180

Onde:

C = comprimento do arco

α = ângulo do arco (graus)

Força total utilizada no acoplamento:

Como sabemos:

𝐹 = 𝑃 ∗ 𝐴

Onde:

F = força

P = preção

A = área

Sabendo que queremos calcular a força normal aplicada em uma área

infinitesimal do acoplamento, podemos escrever esta equação da seguinte

maneira:

𝑑𝐹 = 𝑃 ∗𝜋 ∗ 𝑟 ∗ 𝛼

180 𝑑𝑟

Para descobrir o valor da força total basta integrar a equação anterior:

𝐹 = ∫ 𝑃 ∗𝜋 ∗ 𝑟 ∗ 𝛼

180 𝑑𝑟

𝑟𝑓

𝑟𝑖

Onde:

r = raio

rf =raio final

ri = raio inicial

Portanto, a força normal total aplicada será:

𝐹 =𝑃 ∗ 𝜋 ∗ 𝛼

180∗ (

𝑟𝑓2 − 𝑟𝑖

2

2)

Torque de cada elemento:

Para calcular o torque em um eixo, temos:

𝑇 = 𝐹𝑡 ∗ 𝑟

Onde:

T = torque

Ft = força total

r = raio

Como:

𝐹𝑡 = 𝐹 ∗ 𝜇

Onde:

F = força normal

µ = coeficiente de atrito

Logo:

𝑇 = 𝐹 ∗ 𝜇 ∗ 𝑟

Mas como visto anteriormente:

𝐹 = 𝑃 ∗ 𝐴

Logo teremos:

𝑇 = 𝑃 ∗ 𝐴 ∗ 𝜇 ∗ 𝑟

Sabendo que queremos calcular o torque aplicado em uma parte

infinitesimal do acoplamento, podemos escrever esta equação da seguinte

maneira:

𝑑𝑇 = 𝑃 ∗𝜋 ∗ 𝑟 ∗ 𝛼

180∗ 𝜇 ∗ 𝑟 𝑑𝑟

Para descobrir o valor do torque total basta integrar a equação anterior:

𝑇 = ∫ 𝑃 ∗𝜋 ∗ 𝑟 ∗ 𝛼

180∗ 𝜇 ∗ 𝑟 𝑑𝑟

𝑟𝑓

𝑟𝑖

Portanto, o torque total aplicado será:

𝑇 =𝑃 ∗ 𝜋 ∗ 𝛼

180∗ 𝜇 ∗ (

𝑟𝑓3 − 𝑟𝑖

3

3)

Possibilidades de ocorrências de falhas

Apesar dos avanços tecnológicos do setor a ocorrência de falhas ainda

existem sejam em função de problemas de projeto ou falta de manutenção

preventiva.

São exemplos de causas: vazamento de fluido, quebra do pedal, torção no

disco ocasionando a quebra, falha na composição da pastilha, cisalhamento nos

parafusos de fixação, defeito de fabricação do disco, empeno do disco, entupimento

dos conduites, superaquecimento etc.

Não são incomuns problemas em sistemas de freios envolvendo grandes

fabricantes e que devem ser corrigidos através dos “recalls”. Por exemplo:

- A Dodge tem um anúncio convocando 1626 proprietários do SUV Journey para

troca de componentes (pastilhas e discos) do sistema de freio dianteiro e traseiro

que podem vir a apresentar pulsação/vibração e certas condições de frenagem.

Convocação disponível em: http://www.dodge.com.br/#!recall.

Dodge Jorney

- A SRAM, fabricante que comercializa freios para bicicletas anunciou recall de cerca

de 19 mil produtos que foram considerados não seguros. Em temperaturas baixas,

o pistão mestre do freio não consegue manter a vedação do sistema, fazendo com

que a pressão do freio caia drasticamente e a bicicleta fique impossibilitada de parar.

O problema foi identificado em provas de ciclocross. Disponível em:

https://www.sram.com/news-articles/sram-road-hydraulic-brake-recall-stop-use-

immediately.

Freios SRAM

Acionamentos automatizados

O freio ABS vem da expressão alemã Antiblockier-Bremssystem, embora

mais frequentemente traduzido da inglesa Anti-lock Breaking System, é um

sistema eletrônico que, utilizando sensores, monitora a rotação de cada roda e

a compara com a velocidade do carro.

Em uma situação de frenagem de emergência, a força de frenagem

aplicada pelo motorista pode ser maior que o pneu pode suportar: a roda trava.

Em um veículo equipado com o sistema ABS, os sensores de velocidade

da roda medem a velocidade de rotação das rodas e passam essas informações

à unidade de controle do ABS. Se a unidade de controle do ABS detectar que

uma ou mais rodas tendem a travar, ele intervém em questão de milissegundos,

modulando a pressão de frenagem em cada roda individual. Ao fazer isso, o ABS

impede que as rodas travem e garante uma frenagem segura: o veículo continua

sob controle e estável. Em geral, a distância de parada é reduzida também.

Sensores de rotação:

O sistema de frenagem antitravamento precisa saber, de alguma maneira,

quando uma roda está prestes a travar. Os sensores de rotação, que estão

localizados em cada roda ou, em alguns casos, no diferencial, fornecem essa

informação.

Válvulas:

Existe uma válvula na tubulação de cada freio controlado pelo ABS. Em alguns

sistemas, as válvulas têm três posições:

a posição um, a válvula está aberta; a pressão do cilindro-mestre é

passada direto até o freio;

na posição dois, a válvula bloqueia o tubo, isolando o freio do cilindro-

mestre. Isso previne que a pressão suba mais caso o motorista pressione

o pedal do freio com mais força;

na posição três, a válvula libera um pouco da pressão do freio.

Bomba:

Uma vez que a válvula libera a pressão dos freios, deve haver uma maneira de

repor aquela pressão. É isso que a bomba faz: quando a válvula reduz a pressão

num tubo, a bomba repõe a pressão.

Unidade Controlada:

A unidade controladora é um computador no automóvel. Ela monitora os

sensores de rotação e controla as válvulas.

Freios automáticos: A Euro NCAP, o respeitado órgão de segurança

veicular Europa e influente em todo mundo, oficializou que a partir de 2014 só

serão aprovados com 100% de eficácia veículos equipados com sistema de

frenagem automática.

O sistema de freio automático depende de sensores de proximidade

montados na parte frontal do carro, como um pequeno radar, no caso dos carros

da Volvo. Se o motorista se distrair em algum momento e não notar a

proximidade do veículo a sua frente um sinal é disparado e os freios são

acionados com força total sem interferência externa.

Não significa, porém, que o acidente será necessariamente evitado, mas

a força do impacto pode ser reduzida, diminuindo os danos e os riscos físicos.

Por isso, o equipamento é indicado principalmente para o trânsito urbano, onde

acontecem com maior frequência batidas em baixa velocidades, causadas

basicamente por distrações.

Princípio de funcionamento:

Os Freios atuam efetuado a transformação da energia cinética do

equipamento em energia térmica, que é dissipada na forma de calor. Essa

transformação ocorre pelo atrito entre dois ou mais componentes, que no nosso

caso são as pastilhas e o disco.

Projeto:

Para que possamos desenvolver um bom projeto de freio precisamos conhecer

uma serie de dados construtivos do veículo, ao qual os freios serão empregados.

A escolha do sistema de freios deve ser baseada nas características do

veículo, na performance desejada para o sistema, estabilidade e uniformidade

de operação.

Os dados primários necessários seriam:

Peso do veículo representado na figura por G e suas componentes GED

e GET;

Posicionamento do Centro de Gravidade CG nas posições X, Y e Z;

Distância entre eixos (L): Importante dimensão no cálculo da transferência

de carga;

Altura do centro de gravidade h (uma das componentes do CG);

Raio de Rolamento (RR) dos pneus, utilizado para cálculo da Massa de

Inercia;

Raio efetivo do freio a disco (Ref.), ou raio do tambor de freio (Ret.);

Coeficiente de aderência Pneu x Solo (f);

Coeficiente de Atrito da Pastilha ou Lona de Freio (µ) ou Fator de Freio

(C*) de ambos.

Com os dados fornecidos podemos calcular o torque de frenagem, que é

proporcional ao peso do veículo e ao raio de rolamento dos pneus.

Referências

JUVINALL, Robert C.; KURT, M. Marshek / Fundamentos do projeto de

componentes de máquinas; tradução e revisão técnica Fernando Ribeiro da

Silva. – Rio de Janeiro: LTC, 2008.

http://www.rumoautopecas.com.br/p/pinca-de-freio-gm-blazer-s10-4x2-ano-

todos-4x4-ano-05-em-diante-completa-l-e.html. Acesso em 12/07/2014.

http://maverickgtv8.blogspot.com.br/2010/06/atualizacao-de-freios-dianteio-

e.html. Acesso em 13/07/2014.

http://carros.ig.com.br/noticias/europa+exigira+carros+com+freio+automatico+a

+partir+de+2014/4843.html. Acesso em 13/07/2014.