Baixe Sistemas de freios mecânicos e outras Notas de estudo em PDF para Mecânica, somente na Docsity!
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA – MG
IPUC – ENGENHARIA MECÂNICA ÊNFASE MECATRÔNICA
DISCIPLINA: ELEMENTOS DE MÁQUINAS
FREIOS
Prof. Dr.Perrin Smith Neto
- INTRODUÇÃO........................................................................................................ SUMÁRIO
- FREIOS DE FRICÇÃO............................................................................................
- 2.1. MATERIAIS DE FRICÇÃO............................................................................
- Revestimento Orgânico
- Revestimento Semimetálico
- Revestimento Metálico
- 2.2. CONCEITOS GERAIS DE FRICÇÃO............................................................
- 2.3. CONSIDERAÇÕES SOBRE FREIOS EM VEÍCULOS.................................
- 2.4. FREIO A TAMBOR.........................................................................................
- 2.5. FREIO A DISCO............................................................................................
- 2.6. FREIOS FLEXÍVEIS
- 2.7. FREIO ABS....................................................................................................
- Sensores de Velocidade nas rodas e Rotores Dentados..........................................
- Atuador Hidráulico
- Módulo de Controle................................................................................................
- Operação do ABS
- CONSIDERAÇÕES SOBRE PRESSÃO E DESGASTE......................................
- Desgaste uniforme
- Pressão uniforme
- CONSIDERAÇÕES SOBRE ENERGIA...............................................................
- CONSIDERAÇÕES SOBRE TEMPERATURA NO FREIO
- Calor de Entrada
- Variação de Temperatura........................................................................................
- ACIONAMENTO DE FREIOS
- 6.1. OPERAÇÃO A VÁCUO SUSPENSO
- 6.2. OPERAÇÃO DE AR SUSPENSO.................................................................
- 6.3. OPERAÇÃO DA BOMBA HIDRÁULICA
- 6.4. OPERAÇÃO ELETRO-HIDRÁULICO
- CONCLUSÃO........................................................................................................
- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. INTRODUÇÃO
Os freios são elementos associados à rotação, e têm como função armazenar energia rotativa. O escorregamento ocorre devido a dois elementos que estão movendo a diferentes velocidades, dissipando energia durante essa ação.
O torque transmitido durante a frenagem nos freios de fricção está relacionado à força atuante, ao coeficiente de fricção e à geometria do freio.
2. FREIOS DE FRICÇÃO
2.1. MATERIAIS DE FRICÇÃO
Um material de fricção no freio deve possuir as seguintes características:
- Um alto e uniforme coeficiente de fricção;
- Condições impermeáveis para o meio;
- A habilidade para suportar altas temperaturas, junto com uma boa condutividade térmica;
- Boa resiliência;
- Alta resistência para o desgaste, descamação e risco.
A manufatura de materiais friccionais é um processo altamente especializado, e é aconselhável consultar catálogos de fornecedores a fim de selecionar materiais friccionais para aplicações específicas.
Os materiais utilizados para se construir um freio devem ser selecionados de acordo com a análise do revestimento. O revestimento é determinado pela mistura dos materiais que irão compor o freio e pela seqüência de produção dos componentes. Existem, basicamente, três tipos de revestimentos.
Revestimento Orgânico
Esse tipo de revestimento é geralmente composto por seis ingredientes básicos:
2.2. CONCEITOS GERAIS DE FRICÇÃO............................................................
Os conceitos gerais de fricção, tem sido desenvolvidos ao longo dos anos. Como aço e ferro fundido são aplicados no revestimento dos freios, as fontes principais de fricção são:
- Adesão: Com o movimento do revestimento sobre o tambor ou a superfície do rotor, seus constituintes metálicos unem-se ao material do rotor e do tambor. O cisalhamento dessa junção produz a força friccional.
- Deformação por cisalhamento: O coeficiente de fricção cresce à medida que a temperatura cresce, sugerindo que a deformação seja um fator importante pois a resina amacia-se com o crescimento da temperatura. Acredita-se que o efeito da deformação ocorre a partir da formação de uma onda de deformação e não a partir de uma perda por histereses.
- Sulcos: Durante o processo de movimento tangencial entre as superfícies, protuberâncias no disco do tambor encadeia-se com partículas dos ingredientes, desarranjando-as. Quando a tensão última é excedida, ocorre a ruptura no polímero e as partículas são perdidas. Para que não ocorra a perda dessas partículas, longos amiantos ou fibras de aço fornecem a tensão mecânica necessária para evitar perdas excessivas de material durante a abertura dos sulcos.
- Histereses: A energia perdida que está envolvida com a tensão elástica, produz uma fonte muito pequena de fricção no freio.
- Filmes da superfície: A contaminação da superfície com material de revestimento decomposto afeta muito o coeficiente de fricção por reduzir a adesão e a deformação por cisalhamento.
A importância de cada componente de fricção discutida acima, variará de acordo com a vida do revestimento. A operação inicial do sistema pode envolver grandes ranhuras devido à alta rugosidade original da superfície. À medida que a rugosidade vai diminuindo com o uso, o efeito positivo do crescimento da adesão vai ficando mais importante assim como o efeito negativo da contaminação das superfícies.
O coeficiente de fricção para o material de freios com fricção em ferro fundido é uma função da carga, velocidade e temperatura. A expressão da força pode ser escrita como:
F = K(T)Pa(T)Vb(T)
Onde
K(T) = Constante, dependente da temperatura; P = Carga normal; a(T) = Expoente da carga dependente da temperatura; V = velocidade de escorregamento; b(T) = Expoente da velocidade dependente da temperatura.
Pela influência da carga, velocidade e temperatura para um material de fricção como o amianto, percebe-se que o aumento da carga ou da velocidade causa um decrescimento no coeficiente de fricção. Entretanto, análises como essas devem ser feitas com cuidado devido à grande influência que a temperatura da superfície causa no coeficiente de fricção.
2.3. CONSIDERAÇÕES SOBRE FREIOS EM VEÍCULOS.................................
Um freio de fricção transforma a energia cinética em calor, entretanto, devido ao projeto dos veículos, esse calor dissipado não é distribuído igualmente a todas as rodas. O calor dissipado em cada freio será uma função da distribuição estática e dinâmica do peso sobre as rodas e do design do sistema de freio. A carga dinâmica será dependente do design do veículo (distribuição estática do peso, a altura do centro de gravidade e a base do volante) e da desaceleração. A soma das forças durante a frenagem, mostra que a desaceleração do veículo em porcentagem da aceleração da gravidade g é menor ou igual ao coeficiente de fricção entre o pneu e o chão. Esse coeficiente de fricção dependerá do tamanho e da construção do pneu, da superfície do chão, e do escorregamento relativo entre o pneu e o chão.
Se o peso está uniformemente distribuído da direita para a esquerda, a carga dos pneus da frente e de trás (LF e LR) pode ser escrita como:
controle do volante. Conclui-se que para a maioria dos veículos, é melhor um balanço do sistema de freio favorecendo primeiro o travamento das rodas da frente.
Para um melhor controle do veículo durante o frenagem, sistemas de freio ABS foram desenvolvidos. Esses sistemas medem a velocidade relativa da roda e do veículo e modela a pressão do freio para manter cada roda no limite de adesão sem escorregar. O coeficiente máximo de fricção para os pneus na estrada ocorre a uma pequena porcentagem de escorregamento que esta mais perto das condições de rolamento que de escorregamento. Assim, um sistema ABS de freio pode ser projetado para produzir um torque máximo durante o frenagem.
2.4. FREIO A TAMBOR.........................................................................................
A sapata interna do freio consiste essencialmente de três elementos: a superfície de fricção, os meios de transmissão do torque para as e da superfícies e o mecanismo atuante. Dependendo do mecanismo de operação, esses freios são classificadas como anel de expansão, centrífugo, magnético, hidráulico ou pneumático.
O anel de expansão do freio é muito usado em máquinas da indústria têxtil, escavadoras e em ferramentas onde o freio pode estar localizado dentro da polia de transmissão. Os anéis de expansão do freio têm vantagens devido aos efeitos centrífugos; transmitem um alto torque, mesmo em baixas velocidades; requerem engrenamentos positivos e uma força de afrouxamento suficiente.
O freio centrifugo é usado principalmente para operações automáticas. Se molas não são usadas, o torque transmitido é proporcional ao quadrado da velocidade. Isso é particularmente útil para acionamentos de motores elétricos onde, durante a partida, a máquina acionada adquire velocidade gradativamente. Molas também podem ser úteis para prevenir o engrenamento até uma certa velocidade ser atingida mas choques podem ocorrer.
Os freios magnéticos são particularmente úteis para sistemas automáticos e com controle remoto. Tais freios também são úteis em acionamentos sujeitos a ciclos de carga complexos.
Freios hidráulicos e pneumáticos são úteis também em acionamentos que tem ciclos de carga complexos e em máquinas automáticas ou em robôs. Nesse caso o fluxo do fluido pode ser controlado remotamente por válvulas solenóides. Esses freios são encontrados também em forma de disco e pratos múltiplos.
Em sistemas de freios, a sapata interna ou freio tambor é usada principalmente para aplicações automotivas.
Para analisar o mecanismo de uma sapata interna, olhar Fig 1, no qual mostra uma sapata com o pivô no ponto A, e a força atuante agindo no outro lado da sapata. Não é possível admitir que a distribuição de forças é uniforme devido ao longo comprimento da sapata. O mecanismo não permite pressões aplicadas no salto. A pressão nesse ponto é considerada zero.
Figura 1 – sapata interna
Para uma distância pequena do salto é muito comum omitir o material de fricção na prática. Isso elimina interferências, e de qualquer forma o material poderia contribuir muito pouco para a performance. Em alguns projetos, o pino articulado é feito móvel para prover pressão adicional do heel. Isso promove o efeito de uma sapata flutuante.
A força atuante F tem componentes Fx e Fy e opera a uma distância c do pino articulado. Uma força normal diferencial dN age em qualquer ângulo β a partir do pino articulado e sua magnitude é
dN = pbr dβ
onde b é a largura da face (perpendicular ao papel) do material de fricção. Substituindo o valor da pressão, a força normal é:
sen a dN pabrsen d β = β β dN = (pa br senβ dβ)/senβa
A força normal dN tem componentes horizontais e verticais dN cosβ e dN senβ respectivamente. A força de fricção f dN tem componentes horizontais e verticais cuja magnitude é f dN senβ e f dNconβ respectivamente. Aplicando as condições da estática, é calculado a força F, o torque T, e as reações no pino Rx e Ry.
A força F é calculada fazendo soma de momentos no pino articulado e igualando a zero. A distância das forças de fricção para o cálculo do momento é r-acosβ. O momento Mf dessas forças friccionais é:
M fdN ( r a β ) senfpβbr ββ senβ ( r a β ) d β
a f =^ ∫ − = a ∫^2 − cos 1 cos
No qual é obtida substituindo o valor de dN. É conveniente integrar acima para cada problema. A distância da força normal dN para o cálculo do momento é a-senβ. Chamando o momento das forças normais MN e fazendo o somatório desses momentos no pino articulado, obtém-se:
M = (^) ∫ dN ( asenβ ) = senpbraβ ∫ β^ β 1^2 sen^2 βdβ a N a
A força atuante F deve balancear esses momentos:
c F = MN^ −^ Mf
Fazendo MN = Mf a condição de self-locking é obtida e nenhuma força atuante é requerida. Assim, é necessário obter as dimensões para uma ação de auto energização. Para que isso ocorra, a deve assumir um valor tal que MN > Mf.
O torque T aplicado no tambor pela sapata do freio é a soma das forças de fricção f dN vezes o raio do tambor.
∫ ∫
= =^2 = −
1
(^2) β (^2) cos 1 cos 2 β (^) β ββ β β β (^) a
a a
a sen sen d fpbr sen T frdN fpbr
As reações no pino articulado são calculadas pela soma das forças horizontais e verticais. Assim, para Rx e Ry:
x =^ ∫ −∫ − x = sena a ^ ∫ sen d − f ∫ sen d − Fx R dN fdNsen F pbr^2 1
2 1 cos β cos^2 β
β β β β β β β β ββ
y =^ ∫ +∫ − y = sena a ^ ∫ sen d + f ∫ sen d − Fy R dNsen fdN F pbr^2 1
2 cos 1 cos β 2 β
β β β β ββ β β β β
A direção da força de fricção é reversa se a rotação for reversa. Assim para rotações no sentido anti-horário, a força atuante é:
c F = MN^ +^ Mf
E como os momentos tem o mesmo sentido, o efeito auto energizante é perdido e para o sentido anti-horário de rotação, o sinal dos termos friccionais nas equações para as reações no pino mudam para:
As seguintes suposições são feitas para uma análise precedente:
- A pressão em qualquer ponto da sapata é considerada proporcional à distância do pino articulado, onde o zero está no salto, considerando que o padrão de pressões, que são especificado pelos fabricantes, usa a média e não a máxima.
- O efeito da força centrifuga foi negligenciado. No caso dos freios, as sapatas não estão em rotação portanto não existem forças centrífugas. No desenho da embreagem, o efeito dessa força tem que ser considerado na hora de aplicar as equações da estática.
- A sapata é considerada rígida. Como isso não ocorre na verdade, alguma deflexão ocorrerá, dependendo da carga, pressão e dureza da sapata. A distribuição de pressão resultante pode ser diferente da considerada.
- Toda a analise foi baseada no coeficiente de fricção que não varia com a pressão. Na verdade, o coeficiente pode variar com várias condições, incluindo temperatura, desgaste, e ambiente.
2.5. FREIO A DISCO............................................................................................
O conceito de freio a disco é um dos mais antigos. O primeiro projeto foi patenteado em
- Mas devido a sua falta de auto energização, freios a disco foram aplicados apenas em aviões até 1940. Após a segunda guerra, o desenvolvimento dos freios a disco foi acelerado devido ao aumento do peso e velocidade dos veículos: era necessário um freio com melhores condições de dissipar calor.
Foi visto que os discos de tambor podem ser projetados por auto-energização. Apesar desse fato ser importante por reduzir o esforço requerido do freio, tem suas desvantagens. Quando freios de tambor são usados em veículos, somente uma mudança mínima no coeficiente de fricção, causará uma grande mudança na força do pedal para frear. Uma redução de 30% no coeficiente de fricção devido à mudança de temperatura ou umidade, pode resultar em 50% de mudança na força requerida pelo pedal para obter
o mesmo torque de frenagem. O disco de freio não tem auto-energização e não é susceptível à mudanças no coeficiente de fricção.
Mecanismos operacionais podem ser classificados como:
- Solenóides;
- Alavancas;
- Articulações com molas de carga ;
- Hidráulico e pneumático;
Figura 3 – sapata externa
A notação para sapatas com contrações externas está mostrada na Fig 3. Os momentos das forças normais e de fricção no pino articulado são os mesmo que para as sapatas internas de expansão. As equações são as mesmas:
M senfpβbr^ ββsenβ ( r a β ) d β
a f =^ a ∫ 2 1 −^ cos
M senpbraβ^ ββsen β d β a N =^ a ∫^2
( ) y
a y a B fA F sen R = pbr − − + β
Deve ser notado que quando projetos de contração externa são usados como freios, o efeito da força centrífuga é diminuir a força normal. Assim, quando a velocidade aumenta, um valor maior é requerido para a força atuante F.
Um caso especial é quando o pivô é simetricamente localizado e colocado de tal maneira que os momentos das forças de fricção no pivô são iguais a zero. A geometria de tal freio será similar ao da Fig 4(a). Para obter-se a relação da distribuição da pressão, é considerado que os revestimentos de uso permanecerão em sua forma cilíndrica. Isso significa que o desgaste ∆x na Fig 4(b) é constante independentemente
do ângulo β. O uso radial da sapata é ∆r = ∆x cosβ. Se em uma área elementar da sapata, for considerado que a energia ou perda friccional é proporcional à pressão radial, e se for considerado que o uso é diretamente relacionado à perda de fricção, tem-se a analogia:
Figura 4 (a) – freio com pivô simétrico Figura 4 (b) – desgaste do revestimento do freio
p = pa cos β
A p é máximo em β = 0º. Observando a Fig 4(a) tem-se:
dN = pbrdβ = pabr cos βd β
A distância a até o pivô é de tal maneira que o momento das forças de fricção Mf é zero. Simetricamente significa que β 1 = β 2 e:
M (^) f = (^2) ∫ 0^ β 2 ( fdN )( a cos β − r ) = 0
Substituindo:
2 fpabr ∫ 0^ β^2 ( a cos^2 β − r cos β ) d β = 0
No qual:
2 2
2 2 2
β β
β sen a rsen = +
Com o pivô localizado de acordo com essa equação, o momento no pino é zero e as forças de reação horizontais e verticais são:
R (^) x = (^2) ∫ 0^ β 2 dN (cos β ) = pa 2 br ( 2 β 2 + sen 2 β 2 )
Devido à simetria:
∫ fdNsenβ =^0
R (^) y = (^2) ∫ 0^ β 2 fdN (cos β ) = pa 2 brf ( 2 β 2 + sen 2 β 2 )
Onde:
Para ângulos pequenos sen(dβ/2) = dβ/2. A partir do somatório de forças na horizontal, obtêm-se:
( P + dP ) cos d 2 β − P cos d 2 β − fdN = 0
dP-fdN=
Substituindo e integrando:
∫ = ∫
2 1 0
P P (^) P f d
dP φ θ
PP^ = fφ 2
ln^1
ef^ φ P
P =
2
1
O torque pode ser obtido a partir da equação:
T = (P1 – P2) D/
A força normal dN agindo sobre um elemento de área da largura b e comprimento r dβ é:
dN = pbrdβ
Então:
Pdθ = pbrd θ
bD
P
br p = P =^2
A pressão é proporcional à tensão na dobra. A pressão máxima pa ocorrera na extremidade livre e vale:
Pa = 2P1/(bD)
2.7. FREIO ABS....................................................................................................
Muitos dos atuais modelos de veículos estão equipados com o sistema de freio anti- bloqueamento - ABS. Esse sistema utiliza componentes eletrônicos e hidráulicos, que ajudam a prevenir o bloqueamento das rodas durante períodos de forte frenagem. O sistema anti-bloqueamento garante a segurança dos ocupantes do veículo, mantendo o controle direcional enquanto oferece máxima eficiência na frenagem. O sistema hidráulico do freio atua reduzindo a pressão a fim de evitar o travamento das rodas, mantendo o atrito entre as rodas e a pista num valor ótimo. Já o sistema eletrônico do ABS age recebendo sinal dos sensores e enviando sinais de comando para o atuador hidráulico.
Os componentes do ABS são:
- Sensores de velocidade nas rodas;
- Coroa dentada;
- Atuador hidráulico;
- Módulo de controle Electronic Control Unit (ECU).
O sistema pode ser aplicado nas duas rodas traseiras ou nas quatro rodas.
Sensores de Velocidade nas rodas e Rotores Dentados
Esses sensores são utilizados para determinar a razão de rotação das rodas. A extremidade do sensor está localizada perto do coroa dentada, que é geralmente preso ao eixo do veículo ou na articulação guiada e gira na mesma velocidade das rodas. Quando o rotor gira, uma tensão é induzida no sensor. O módulo e a freqüência dessa tensão varia em relação à velocidade da roda.
