UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
RODOLFO VIEIRA SARMENTO
2016073843
RESUMO DO CAPITULO 16 – FREIOS E EMBREAGENS DO
COLLINS
Elementos de Máquinas II
JOÃO PESSOA – PB
MAI/2021
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Engrenagem: Seleção e Dimensionamento de Sistemas de Freio ou Embreagem, Resumos de Máquinas
Este documento aborda o tema de embreagens e frenos, explicando os métodos de acionamento, os requisitos de torque e força de acionamento, as limitações e a geração de energia. Além disso, são apresentados alguns exemplos de freios e embreagens e discutidos os modos de falha e o desgaste adesivo, abrasivo e corrosivo.
O que você vai aprender
- Qual é o método de acionamento mais comum em embreagens e frenos?
- Quais são as limitações de um sistema de freio ou embreagem em função da pressão, temperatura, desgaste ou resistência?
- Quais são os modos de falha possíveis em embreagens e frenos?
- Quais são os requisitos de torque e força de acionamento para a seleção de um sistema de freio ou embreagem?
- Qual é a importância do desgaste em embreagens e frenos?
Tipologia: Resumos
2021
1 / 14
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UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
RODOLFO VIEIRA SARMENTO
RESUMO DO CAPITULO 16 – FREIOS E EMBREAGENS DO
COLLINS
Elementos de Máquinas II
JOÃO PESSOA – PB
MAI/ 2021
1. CONSIDERAÇÕES GERAIS
Freios e embreagens são praticamente indistinguíveis. Embreagem é um dispositivo
para conexão de componentes rotativos de velocidades angulares distintas de uma maneira
suave e gradual, em uma linha de centro comum a ambos. O freio tem função muito similar, no
entanto, para o freio um dos elementos não possui rotação, ou seja, é fixo em relação ao eixo
central.
Figura 1 - Ilustração de dispositivo embreagem
Figura 2 - ilustração de dispositivo freio
A seleção ou dimensionamento de um sistema de freio ou embreagem parte de dois
questionamentos:
1. Quais princípios físicos e arranjos básicos para a transferência de energia de um
componente para outro parecem ser a melhor escolha para esta aplicação?
2. Qual método de acionamento é apropriado?
Figura 3 - Alguns tipos de freios e embreagens
De todos os modos prováveis de falha sugeridos, o pré - projeto de uma embreagem ou
de um freio é baseado no desgaste, na fadiga térmica e na mudança nas propriedades dos
materiais. Se o revestimento de atrito se desgasta a uma taxa excessiva, o revestimento pode
ser todo consumido antes que uma vida de projeto aceitável seja alcançada.
Os requisitos de seleção de material para freios e embreagens parte de seus princípios
de funcionamento e de sua dinâmica de trabalho, isto é, temperaturas, esforços e
comportamentos. Tendo em vista isto alguns dos requisitos que estes matérias devem ter são:
- Alta condutividade térmica
- Alta resistência a corrosão
- Alta resistência a abrasão e os riscos superficiais
- Alta resistência a fadiga térmica
- Estabilidade em seu coeficiente de atrito
Sob a maioria das circunstâncias, o dispositivo freio/embreagem consiste em um
componente metálico de um lado, o qual quando é acionado é pressionado contra um
componente de acoplamento com um revestimento sólido , moldado , tecido ou de material
sinterizado que tenha um alto coeficiente de atrito, boa resistência à temperatura e boa
resiliência. O componente metálico (disco ou tambor) costuma ser fabricado em ferro fundido
ou em aço inoxidável, enquanto os componentes de acoplamento costumam ser feito de material
compósito (sinterizado, ou em matriz ligante).
Alguns passos que o projetista tem que tomar no desenvolvimento de um projeto ou
seleção de freio e embreagem é:
1. Selecionar a tipologia do freio ou embreagem que melhor se adapte as restrições
de projeto, e esboçar também estas restrições ora sejam de caráter geométrico ou
ora se de caráter dimensional.
2. Selecionar os materiais constituintes dos componentes com base nos modos de
falhas possíveis, tempo de respostas e condições de trabalho.
3. Estimar o torque, levando em consideração os efeitos inerciais de todas as massas
envolvidas, que é necessário para que haja a aceleração ou a desaceleração do
dispositivo até que se atinge a velocidade angular especificada, que no caso de
freio é nula.
4. Estimar a energia que será dissipada em forma de calor nas superfícies de contato
do freio ou da embreagem.
5. Estimar a distribuição de pressão das superfícies de contato por atrito do
dispositivo.
6. Equacionar a pressão em qualquer ponto da área (superfície) de contato em função
da máxima pressão nesta superfície.
7. Por equilíbrio estático, determinar a força de acionamento necessária ao
dispositivo, bem como o seu toque de atrito e reação nos apoios e mancais
presentes no projeto. Nesta etapa se faz necessária determinação de dimensões e
seleção de materiais que se adequem as especificações necessárias.
8. Desenvolvimento de processo iterativo de cálculo e projeto.
2. FREIO A TAMBOR COM SAPATAS CURTAS
São divididos entre externos e internos, com sapatas curtas (o ângulo α é igual o menor
de 45º) ou sapatas longas. Na prática duas sapatas codiametrais e opostas são utilizadas para
redução de reação nos mancais, como mostrado na figura 3(a).
𝑒
2
𝑜𝑝
𝑟
Em qualquer caso o torque causado pela força de acionamento deve exceder o torque
necessária para desaceleração no tempo de resposta especificado por uma margem de
segurança especificada.
Quanto a abordagem térmica :
- Acionamentos poucos frequentes e de curta duração : Calor absorvido pela
massa do material adjacente a interface de atrito.
𝑓
Onde:
𝑓
𝑒
𝑜𝑝
2
𝑜
E:
- Acionamentos de muito frequentes e de duração mais longa : Lei de newton do
resfriamento válida.
𝑠
𝑎
𝑓
1
𝑠
Onde:
Quando desgaste abrasivo ou abrasivo foram modos de falhas, a profundidade de
desgaste normal na superfície de atrito é:
𝑛
𝑤
Onde:
Alguns dos valores de referência para o produto pV é dado na tabela 1.
Tabela 1 - Valores de referência baseados em vários projetos
3. FREIO A TAMBOR COM SAPATAS LONGAS
Para este tipo de freio a hipótese de distribuição uniforme de pressão durante a
superfície de atrito não é válida, desta forma uma abordagem diferente é adotada. Um dos
principais fatores a serem modificados é o de profundidade de desgaste normal.
𝑛
𝑃
𝑤
𝑃
𝑃
𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑡𝑜
𝐿𝑆
𝑃
Onde:
K
LS
é a constante do par de materiais para sapata longa.
A figura 5 mostra a representação esquemática do freio de sapata longa.
Figura 5 - Freio a tambor de sapata longa
𝒗
𝑎
𝑐
𝑚á𝑥
4 (sin 𝜑)
𝑚á𝑥
[−(sin 𝛽 − 𝜇 cos 𝛽)(cos 2 𝜑
1
− cos 2 𝜑
2
cos 𝛽 + 𝜇 sin 𝛽
2 𝛼 − sin 2 𝜑
2
- sin 2 𝜑
1
))]
𝒉
𝑐
𝑚á𝑥
4 (sin 𝜑)
𝑚á𝑥
[(𝜇 sin 𝛽 − cos 𝛽)(cos 2 𝜑
1
− cos 2 𝜑
2
)]
Importante salientar que há variação frequente na distribuição de pressão assumida no
desenvolvimento matemático, durante a fase de acomodação, isto é, há maior desgaste na região
de maior pressão.
4. FREIO DE CINTA
Emprega uma cinta flexível revestida de material flexível de atrito em volta de um
tambor rígido. Considerando sentido horário de rotação da figura 6, percebesse contribuição
das forças horárias de atrito para a força trativa P1.
Figura 6 – Representação de um freio de cinta
Os ângulos de abraçamento variam de 270º até 330º. A relação entre as forças trativas
em ambos os lados da cinta são:
1
2
𝜇𝛼
Do somatório de forças em torno do centro do tambor o torque de frenagem torna-se:
𝑓
1
2
Que também pode ser expresso por:
𝑓
2
𝑚á𝑥
−𝜇𝛼
Onde:
𝑚á𝑥
1
2
𝜇𝛼
A força de acionamento para a situação representada na figura 6 é:
𝑎
2
𝑚á𝑥
𝜇𝛼
Outra configuração muito usual é o freio de cinta diferencial representado na figura 7.
Figura 7 - Freio de cinta diferencial
Nesta configuração há um momento gerado em torno do ponto c que contribui para
com a força de acionamento. Nesta configuração a força de acionamento é dado por:
𝑎
2
2
1
1
O freio de cinta diferencial é autodinâmico e pode ser autofrenante se a força de
acionamento for negativa.
5. FREIO DE DISCO E EMBREAGEM
Os freios a disco (prato) possuem o típico funcionamento mostrado na figura 8, onde
há a presença de duas superfícies de atrito, em que caso seja freio é um contato entre dois discos
coaxiais e casos seja embreagem é contato com um outro eixo (coaxial).
𝑎
𝑑𝑢
𝑚á𝑥
𝑖
𝑒
𝑖
Torque de frenagem:
𝑓
𝑑𝑢
𝑓
𝑒
𝑖
𝑎
Onde nf é o número de superfícies de contato, igual a 1 para casos simples.
- Na hipótese de pressão uniforme :
Força normal axial:
𝑎
𝑝𝑢
𝑚á𝑥
𝑒
2
𝑖
2
Torque de frenagem:
𝑓
𝑝𝑢
𝑒
3
𝑖
3
𝑒
2
𝑖
2
𝑓
𝑎
6. EMBREAGENS E FREIOS CÔNICOS
Em freios de tipo cônico os ângulos de cones ficam entre 8º até 15º, sendo valor de 12º
mais usualmente escolhido. Não se recomenda ângulos inferiores a 8º uma vez que pode gerar
“engarramento” no engate ou dificultando o desengate, no mesmo sentido ângulos maiores
demandam grandes forças de acionamento. A figura
Figura 9 - Freio cônico
Uma vez que a porção infinitesimal dA da área de contato superfície depende agora
do ângulo de cone, a integração das equações para desgaste uniforme e pressão uniforme
tornasse:
- Na hipótese de desgaste uniforme :
𝑎
𝑑𝑢
𝑚á𝑥
𝑒
2
𝑖
2
sin 𝛼
𝑓
𝑑𝑢
𝑒
𝑖
𝑎
sin 𝛼
- Na hipótese de pressão uniforme :
𝑎
𝑝𝑢
𝑚á𝑥
𝑒
2
𝑖
2
sin 𝛼
𝑓
𝑝𝑢
𝑒
3
𝑖
3
𝑒
2
𝑖
2
𝑎
sin 𝛼