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Apostila Freios Engenharia Automobilistica
Tipologia: Notas de estudo
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Centro Universitário da FEI ENGENHARIA MECÂNICA - Enfase MECÂNICA AUTOMOBILÍSTICA
SETEMBRO 2008
O propósito desta apostila é contemplar as metodologias desde o dimensionamento de sistemas de freios convencionais até as inovações implementadas no inicio deste século. O constante repotenciamento dos veículos levou os fabricantes de freios a preocupar-se mais em conhecer as leis naturais e físicas que regem o funcionamento dos freios. Com isso o conteúdo abordado sobre os sistemas convencionais e dos sistemas avançados foram distribuidos da seguinte maneira:
_- Teoria básica e princípios fundamentais sobre sistemas de freios
Grande parte dos controles inteligentes foram implementadas para ambos objetivos: segurança e o conforto na interface humana. Muitos dos materiais contidos aqui foram desenvolvidos durante meu trabalho como engenheiro de projetos de sistemas de freios, estudando mecanismos Mecatrônicos, consultor como especialista em freios e ensinando projetos de freios. Estudantes em graduação de engenharia e/ou técnicos automotivos serão beneficiados com esse material encontrando fundamentos de conceitos essenciais, e muitos casos típicos com abordagens profundas sobre o projeto de um freio seguro.
Nota : Esta apostila destina-se ao curso de graduação de engenharia do Centro Universitário da FEI (projeto/desenvolvimento de freios para o Curso de Engenharia Mecânica – Ênfase Automobilismo da uniFEI). Organizada pelo Prof. Msc Guilherme Raszl, é vedada sua reprodução total ou parcial sem prévia consulta.
Indice Introdução
Tópicos Fundamentais Sobre Sistemas De Freios
Introdução – Histórico
Teoria Básica Do Freio.
Elementos Do Desempenho De Frenagem.
Sistemas De Freios
Princípios Fundamentais Do Sistema
Importantes Considerações Devem Ser Feitas Para A Temperatura Do Freio
Princípios Fundamentais
Considerações De Natureza Física, Para O Cálculo Do Processo De Frenagem.
Aplica-Se A Seguinte Relação: Fluido Requerido/Eixo = 8 X S’ X Área Do Cilindro De Roda.
2.0 Tipos De Projeto De Freios: Disco E Tambor
Diferentes Projetos De Freios
Freio A Tambor
O Conceito Do Arranjo De Projeto Guiado-Arrastado.
Sapatas Do Sistema A Tambor.
Freio A Tambor
Tipos De Atuação
Fator De Freio
Freio A Disco
Freio À Disco Com Cáliper Do Tipo Fixo
Variantes Construtivas De Cáliper E Disco De Freio:
O Projeto De Freio A Disco Quanto Ao Arranjo Guiado Arrastado
Freio À Disco Com Cáliper Do Tipo Fixo
Freio À Disco Com Cáliper Do Tipo Flutuante Freio A Disco Pneumático
Tipo Com Alavanca Automática De Ajuste Com Deslocamento Axial
Disco De Freio Sólido
Há Dois Tipos De Rotores Disponíveis Atualmente;
Disco De Freio Ventilado
Fadiga Térmica. Trincas Térmicas E Choque Térmico
Montagem E Manutencão De Discos De Freio.
Montagem Do Sistema De Freios:
Substituição Das Pastilhas De Freio Para Discos Série “V” Pick-Ups D-20 E F1000.
Reparacão Do Disco Para Utilizacão (Acamar)
Princípios – Válvulas De Corte
Válvulas Do Sistema De Frenagem
Válvula Proporcionadora De Corte Fixo Válvula Proporcionadora De Corte Variável Em Função Da Altura Da Suspensão Válvula Proporcionadora De Corte Variável Em Função Da Desaceleração.
Válvula De Corte Fixo
Funcionamento – Posição Aberta
Funcionamento – Posição De Equilíbrio
Válvula De Corte Variável Em Função Da Altura Da Suspensão (LCRV)
LCRV X Sistemas Eletrônicos
Válvula De Corte Variável Em Função Da Desaceleração Do Veículo
Funcionamento – Posição Fechada
Funcionamento – Posição De Equilíbrio
Funcionamento – Gráfico
Cálculo De Sistemas De Freios Parâmetros
Balanceamento Ideal Dianteiro
Aplicação Para Sistemas Com Freio À Disco
Componentes que influem na curva de graduação Instalação típica do Servo - Freio - Vácuo assistido com circuito duplo
Componentes Que Influem Na Curva De Graduação
Instalação Típica Do Servo Freio Vácuo Assistido Com Circuito Duplo.
Cilindro Mestre.
Cilindro Mestre Simples:
Funções Principais Dos Vedador Primário.
Principais Componentes Do Cilindro Mestre Duplo:
Freios Hidráulicos De Atuação Direta
Servo Freio Assistido A Vácuo
Colapso Dos Lábios Do Vedador Primário
Análise Do Servo Master Vac
Desempenho Dinâmico Do Eixo
O Balanceamento De Frenagem Para Veículos Classe M1 E N2.
Balanceamento Ideal De Frenagem E Os Regulamentos
Min % Balanceamento Dianteiro
Máx. % Balanceamento Dianteiro
Cálculo Do Balanceamento Real
Balanceamento De Frenagem Carga No Pneu (Tyre Drag)
Carga No Tambor (Drum Drag)
Carga No Material De Atrito
Folga No Centro Da Sapata (Scl)
Requisitos De Fluido De Freio
Absorção Das Mangueiras E Tubos
Seleção Do Cilindro Mestre
Auxílio Á Vácuo
Auxílio À Ar
Detalhes Sobre Cálculo Do AF e AR
Exercício: Veículo De Sucata Com Gvw= 10 Toneladas
Curvas Para Execução Dos Exercícios Acima: Gráfico 1 Gráfico 2 Gráfico 3
A Função Básica Do Sistema
Dinâmica De Frenagem De Um Veículo Simples
Análise Da Distribuição Das Forças De Frenagem.
Cargas Estáticas No Eixo
Cargas Dinâmicas No Eixo.
Forças Ótimas De Frenagem.
Forças De Frenagem Dinâmica.
Frenagem Ótima Em Linha Reta.
Eficiência De Frenagem.
Análise Da Estabilidade Do Veículo.
Análise Da Estabilidade De Frenagem Simplificada
Materiais E Processos.
Materiais De Atrito E Materiais Dos Componentes De Freios
Histórico E Evolução Dos Materiais De Atrito:
Características Dos Materiais De Atrito:
Matérias-Primas Básicas Que Compõem O Material De Atrito:
Tipos De Materiais De Fricção: Material Trançado –
Material Extrudado
Material Enrolado
Tipos De Freios:
Freios A Tambor:
Formulações De Abnt 5.1 (“Dot 5.1”) Análises Físicoquímicas De Performance De Fluidos Hidráulico Enchimento Do Fluído De Freio Em Uma Linha De Montagem De Veículos
Propriedades Do Fluido
Ponto De Ebulição Viscosidade Ação Sobre As Vedações.
Principios, Projetos E Instalação De ABS
Princípios, Tipos De Projetos, Configurações E Instalação De ABS
ABS – Antilock Braking System (Sistema De Freios Antitravamento)
Conceito Do Freio Automotivo
Sistema De Freio Anti-Travante & Controle Eletrônico De Tração
Informações Gerais
Tipo Integrado
Tipo Integrado Montado No Circuito
Terminologias Utilizadas Em ABS
Sistema Com Uma Válvula Solenóide E Uma Válvula Hidráulica
Sistema Com 2 Válvulas Solenóide E 2 Válvulas Hidráulicas
Sistema Com 4 Válvulas Solenóide E 4 Válvulas Hidráulicas- ABS 4x
Comparativo Dos Diversos Sistemas: Frenagens Plenas Sob A Mesma Velocidade.
Sistema De Freio Anti-Travante ( ABS)
Sistema De Controle De Tração (ETC)
DESCrição Geral
Visão Geral Do Sistema ABS/ETC
Princípio Operacional Básico
Controle ABS
Condições Normais Durante Frenagem Anti-Travante E Intervenção Do Controle De Tração
Componentes Do Sistema ABS E ABS / ETC
Sensores De Velocidade Da Roda E Aneis De Pulso
Sensores De Velocidade Das Rodas Dianteiras
Sensores De Velocidade Das Rodas Traseiras
Modulador Hidráulico
Lâmpada De Advertência ABS
Lâmpadas De Advertência Do Controle Eletrônico De Tração (ETC)
Interruptor Do Controle Eletrônico De Tração (ETC)
Cilindro-Mestre Do Freio
Posição De Instalação Dos Componentes ABS E ABS / ETC
Princípios De Funcionamento - Exceto ABS/ETC
Frenagem Sem Sistema Anti-Travante
Frenagem Anti-Travante
Funcionamento Do Módulo De Controle ABS
Funcionamento Do Modulador Hidráulico
Frenagem Sem ABS
Manutenção De Pressão
Redução De Pressão
Sistemas De Controle De Tração (TCS, ASR);
Sistemas De Controle De Estabilidade (YCS, ESC, ESP).
Controle Ativo De Guinada Active Yaw Control (AYC Ou YCS)
O S-AWC Super Controle Nas Quatro Rodas – Sistematic
Os Sistemas Atuais De Estabilidade ESC E RSA / RSC
Objetivo Alertas De Estabilidade Do Rolamento (RSA) Controle Da Estabilidade De Rolamento (RSC Objetivos Do Desenvolvimento Da Assistência Da Estabilidade Do Veículo Vehicle Stability Assist (VSA) O Sistema De Assistência Da Estabilidade Do Veículo (VSA) Como O Sistema Opera Controle Comportamento Sobresterçante:
Deteção E Controle
Controles Subesterçante Na Manobra Em Curva Sistema Energizado
Deteção E Controle
Controle Do Inicio Do Deslizamento Em Linha Reta.
Controle Freando Sob Manobra Em Curva
Frenagem Normal
ABS Ativo – Liberação Da Pressão
Intervenção Do VSA – Aumento Da Pressão
Intervenção Do VSA – Liberação Da Pressão
Sistemas De Freio “X By Wire” Ou “Brake By Wire” (Bbw)
Veículos Inteligentes
Estrutura De Um Veículo Inteligente Sistemas Mecatrônicos Embarcados
Destacam-Se Os Seguintes Sistemas Mecatrônicos
Instrumentação
Aplicações Envolvendo Tecnologias Para Automação Veicular
Sistemas De Apoio Ao Motorista
Identificação De Obstáculos Em Pontos Cegos Ao Motorista
Aviso De Abandono De Pista: Pode Ser Alertado.
Sistema De Navegação:
Sistema De Comunicação Inter-Veicular:
Frenagem De Emergência:
Estacionamento Automático Em Vagas Paralelas: Manobra De Veículos Articulados:
Controle Inteligente De Veículos Autônomos
Pirâmide De Controle
Estrutura Dos Diferentes Níveis De Controladores
Sistemas De Controle De Velocidade (ACC).
Controle Dos Sub-Sistemas Mecatrônicos
Controle Do Desvio Lateral
Veículos Em Comboio
X-By-Wire
11 Freios Pneumáticos
Tipos De Projetos, Configurações E Instalação De ABS
ABS Para Caminhões (Circuitos Hidráulicos E Pneumáticos) Sistema Pneumáticos De Freios ABS Norma Ece – Anexo 13 “2010”
Componentes ABS ASR
Unidade Eletrônica Ecu
Ciclo Do ABS Diagrama De Freio Pneumático ABS Cavalo Mecânico
Aumento De Pressão
ABS Cavalo Mecânico
Redução De Pressão
ABS Cavalo Mecânico
Tópicos fundamentais sobre Sistemas de Freios
Introdução – Histórico Teoria Básica Do Freio.
Introdução – Histórico Há relatos que os freios hidráulicos não existiam até o inicio do século 20, e os automóveis da época utilizavam cabos metálicos para acionarem o seu sistema de freios.
Antes de 1925 os automóveis usavam freios de contração externa, montadas na transmissão ou nas rodas do eixo traseiro, com o propósito de evitar influencia do freio na dirigibilidade.
Freio de contração externa com
Esta configuração de freio expunha o material de atrito ao tempo, lama, água e areia, o que prejudicava bastante a sua ação.
A partir de 1927 passaram a ser utilizado os freios com sapatas internas e, a partir desta época verificou-se um acentuado desenvolvimento dos materiais de atrito, junto com a industria fornecedora de pastilhas e lonas.
Outros projetos de Freios de contração externa:
A necessidade de um atritante que conferisse ao material de atrito boa resistência mecânica e suportasse altas temperaturas redundou à utilização do amianto
Após esta etapa, verificou-se maior desenvolvimento com fibras alternativas, com puro propósito de substituir o amianto. Entretanto as características conferidas pelo amianto a consistência do material dificilmente foram encontradas em sua totalidade para um único tipo de fibra.
Dessa maneira, a resistência térmica, baixo custo, estabilidade do atrito e facilidade de processamento com equipamentos convencionais, são características encontradas apenas no amianto.
Teoria básica do freio.
Energia – Conceito
Efeito do Peso e Velocidade sobre os freios
Energia de Frenagem e a Potência do Veículo
Como o tempo afeta a Potência
Os fabricantes de freio hoje estão mais preocupados em conhecer mais sobre as leis naturais e físicas que regem o funcionamento do freio;
Efeito do Peso e Velocidade sobre os freios
1-Energia de frenagem deve ser aumentada à medida que aumenta a massa do veículo. Ex.: Um veículo com 4,6 toneladas precisa de duas vezes de energia de frenagem que necessitaria um veículo com 2,3 toneladas rodando com a mesma velocidade
2 - A cada unidade de tempo a velocidade é quadrática, isto é, a velocidade é multiplicada dois a dois.
Energia de Frenagem e a Potência do Veículo
Exemplo:
1 HP é a energia requerida para levantar 14.968,8 Kg (33.000 lbs) na altura de 0,3048 m (1 pé) no tempo de 1minuto.
Para ver quanto de energia o freio deve absorver, vamos considerar um "trailer" puxado com um caminhão com peso total combinado de 27200 Kg rodando a 96 Km/h.
Usando a fórmula da energia cinética ( * *^2 2
E = M V ), a energia pode ser calculada:
M = massa (o peso do veículo dividido pela gravidade de 9,81 m/s²) V = velocidade do veículo em m/s,
2 2 2
s
m Kg s
m
2 2 2
s
m Kg s
m
E E = 988308 ⋅ Kg ⋅ m ⋅≅⋅ 10000000 ⋅ Kg ⋅ m
Se o veículo fosse requerido parar em 1 minuto poderíamos dizer que este valor dividido por 14968,8 x 0,3048, isto é, 4562,5 Kgm (equivalente a 1 HP) resultaria em uma potência de 220 HP. Entretanto, em frenagens de pânico o veículo deve ser parado em 6 segundos ou menos. Seis segundos são 1/10 de um minuto, assim a potência que o freio deve absorver seria de 2200 HP ao invés de 220 HP. Seis segundos são 1/10 de um minuto, assim a potência que o freio deve absorver seria de 2200 HP ao invés de 220 HP. A energia pode ser convertida na forma de calor. Um BTU (British Thermal Unit) é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 0,45 Kg (1 lb) de água de 1,8°C (1 °F). Isto é também equivalente a aproximadamente 0,252 Kcal (778 ft x lb) de ENERGIA.
O calor gerado no nosso exemplo de uma única parada é suficiente para aumentar a temperatura de 23,5 Kg de água a partir do ponto de congelamento até a ebulição em 6 segundos.
Assim; 0,1781 Kcal/Seg. = 1HP
Quantidade de calor gerada para 2200 HP em 6 segundos Q = 0,1781 * 2200 * 6 seg. => Q = 2350 Kcal
c = 1 Kcal/Kg * °C Q = m * c * (∆t) m = Q/c*∆ t
m = 2350/1 * 100 = 23,5 Kg
Massa equivalente a 23,5 Kg de água
