ACTA MECHANÌCA ET MOBILITATEM
Vol. 5, N.1 – 2020 ISSN 2525-9350
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE FREIO APLICADO AO PROTÓTIPO BAJA SAE DA EQUIPE
SAMABAJA
Mário A. A. Deus Filhoª, Antonio C. B. Zancanellaª, e Rômulo Mazierob,
a Instituto Federal do Espírito Santo - Brasil
b Universidade Federal de Minas Gerais - Brasil E-mail:
antonio.zancanella@ifes.edu.br.
RESUMO
Os veículos fora de estrada (off-road), do tipo Baja SAE, são utilizados em competições de engenharia, na qual o projeto do veículo soma pontos ao resultado final. Entretanto, não há uma demanda suficiente no mercado que justifique o dimensionamento específico de um sistema de freios para bajas desse tipo. Assim, visando solucionar o problema da equipe SamaBAJA, do Instituto Federal do Espírito Santo (IFES), Campus São Mateus, foi desenvolvida uma metodologia de dimensionamento para a escolha ideal dos produtos finais do sistema de freio específico para esse tipo de veículo, com um correto dimensionamento do projeto e uma comparação com o projeto anterior de referência. A partir do projeto, concluiu-se que o protótipo atendeu a prova de segurança e se manteve eficiente durante todo enduro em competições Baja SAE.
Palavras-chave: Veículo off-road, SAE, SamaBAJA, freios.
INTRODUÇÃO
A Society of Automotive Engineers - SAE, [Sociedade dos Engenheiros Automotivos], realiza competições estudantis, com o objetivo de promover aos participantes uma experiência de colocar em prática os conhecimentos adquiridos academicamente para projetar e construir um protótipo de competições [1].
Dentre as competições promovidas pela SAE, tem-se a competição de um veículo fora de estrada (off-road) do tipo Baja. Nesta competição, estudantes de engenharias e física, são desafiados a competir em nível regional, nacional e internacional, a expor seus projetos, passar por provas de segurança e testar durante um enduro de resistência [1].
O projeto Baja SAE, teve início em 1976, na Universidade da Carolina do Sul, nos Estados Unidos. Os alunos que participam da competição, formam equipes que representam a Instituição de Ensino Superior, à qual estão ligadas [1]. As equipes
inscritas, tem o objetivo de produzir um projeto, que consiste no desenvolvimento de um protótipo, do tipo off-road, para promover a avaliação comparativa dos projetos, que obedecem um regulamento de normas para padronizar as competições e gerar maior segurança.
De acordo com SAE Brasil [1], a primeira competição brasileira ocorreu em 1995 na cidade de São Paulo, e vem ocorrendo desde então anualmente contando com presença de equipes estrangeiras.
Ainda no Brasil, existem as competições regionais e a competição nacional. Estas etapas não são complementares, e os três primeiros colocados da nacional ganham o direito de competir a etapa internacional nos Estados Unidos.
O protótipo deve possuir características de resistir a obstáculos de vários tipos, tendo boa dirigibilidade, frenagem e aceleração. Segundo Yoshida [2], ainda deve ser projetado visando: baixo custo, facilidade de montagem e manutenção, ser
confiável e ter construção que possibilite uma produção em série.
Na realização da prova de freio, o protótipo é acelerado por cerca de 20 a 30 metros, em seguida entra em uma área onde deve realizar a frenagem. A equipe só é aprovada caso o protótipo trave as quatro rodas dentro desta área permitida, onde haverá juízes para avaliar cada roda, indicando se travou ou não.
Levando em conta a prova de frenagem, nos primeiros anos da competição Baja SAE, a equipe SamaBAJA não realizava estudos minuciosos do projeto/execução do dimensionamento do protótipo, acarretando problemas no setor de freio. Existia ausência na habilidade do dimensionamento, trazendo transtornos na prova de frenagem, uma das etapas de segurança da competição, classificatória para participar das provas dinâmicas e enduro.
O sistema de freio do carro anterior obteve dificuldade em travar as quatro rodas e funcionar durante toda a competição. Com esses problemas apresentados, o estudo para um melhor dimensionamento será levado em conta, buscando solucioná-los.
O objetivo deste estudo foi a realização do projeto preliminar de um sistema de freio para a equipe SamaBAJA. O novo sistema de freio foi dimensionado, os produtos comerciais foram selecionados e os componentes do freio foram modelados.
MATERIAIS E MÉTODOS
O projeto do sistema de freio foi realizado com o auxílio do software SolidWorks®. As etapas para a realização do trabalho são descritas a seguir:
• Seleção do melhor sistema de acionamento para o protótipo;
• Considerações para o dimensionamento ideal;
• Dimensionamento do sistema de freios;
• Relação do pedal de acionamento;
• Garantia da relação entre diâmetros do cilindro e de pinça mais próximo do necessário;
• Análise das falhas do projeto anterior;
• Seleção da pinça de freio, do cilindro mestre, das linhas e das conexões de freio; e
• Seleção do material para o pedal de freio.
Seleção do tipo de freio
Dentre os acionadores utilizados em veículos automotores, o sistema hidráulico apresenta melhor resultado na comparação com os outros sistemas e é o exigido pela competição. Os acionadores mecânicos têm uma construção mais simples, porém devem ser desprezados, por perda em eficiência próxima a 35%
e ser necessário um esforço muito maior pelo piloto para o travamento das quatro rodas. Com relação aos acionadores pneumáticos, os mesmos também foram
desprezados, devido ao seu uso em veículos de grande porte e de necessitar de um compressor para o envio de ar ao sistema, sendo utilizado um maior consumo do motor.
Após a definição de que o sistema hidráulico é o mais eficiente para o projeto Baja, foi feita a comparação com o sistema de freio empregado. Desta forma, foram analisados freios a tambor e os sistemas de freio a disco, utilizando ou não o sistema de ABS.
O sistema ABS foi descartado no projeto, em função do regulamento da competição.
Na comparação entre os freios a disco e a tambor, os freios a tambor, apesar de construção simples e baixo custo, quando comparados aos freios a disco, apresentam desvantagens relacionadas à peso, à dissipação do calor gerado e à contaminação do sistema com sujeiras, ocasionando redução na frenagem e danificação dos seus componentes.
Por isso, o sistema dimensionado para o carro foi o sistema de freio a disco sem ABS, utilizado para travar as quatro rodas. Este sistema apresenta a vantagem de possuir um maior poder de frenagem, devido à grande área de contato, facilitando a dissipação de calor, gerando assim também menos fadiga. O processo de manutenção deste sistema é outra vantagem, visto que o freio a disco é um sistema muito mais simples.
Considerações para o dimensionamento
Foram utilizados discos de freio Suzuki Nurgman (disco dianteiro, Fig. 1) e Honda Bros (disco traseiro, Fig. 2), ambos de aço inoxidável 304.
As dimensões que influenciaram no dimensionamento são mostradas na Tabela 1.
Figura 1. Disco dianteiro utilizado no protótipo
Figura 2. Disco traseiro utilizado no protótipo
Tabela 1.Dimensões dos discos existentes na equipe Disco Diâmetro [m] Raio [m]
Dianteiro 0,170 0,085
Traseiro 0,240 0,120
O layout do sistema utilizado no protótipo é apresentado na Fig. 3. O único disco de freio se encontra no eixo da transmissão, onde fica a homocinética.
Figura 3. Layout do sistema de freio a ser utilizado O tipo do piso influencia diretamente no fator de atrito. A Tabela 2, apresentada por Blau [3], demonstra os coeficientes de atrito médio para o pneu com determinadas superfícies.
Tabela 2. Coeficiente de atrito em diferentes terrenos (Adaptado de Blau [3])
Tipo de piso µe – Piso seco
µe – Piso molhado Pista de terra 0,40 - 0,60 0,30 - 0,50 Cascalho solto 0,40 - 0,70 0,45 - 0,75 Asfalto novo 0,80 - 1,20 0,50 - 0,80 Asfalto gasto 0,60 - 0,80 0,45 - 0,70 Cimento novo 0,80 - 1,20 0,50 - 0,80 Cimento gasto 0,55 - 0,75 0,45 - 0,65
Com os valores dados pelo fabricante do pneu, em conjunto com a Tabela 2, utilizou-se o valor de atrito de 0,85. O valor escolhido garante o coeficiente de segurança, ainda que o mais usual no off-road, não seja do tipo para piso seco. A partir da Eq. 1, encontra-se a desaceleração pretendida, considerando g = 9,807 m s-2.
𝐴𝑥 = −µ𝑝𝑛𝑒𝑢 𝑥 𝑔
Onde Ax é a desaceleração pretendida (m s-2), µpneu é a relação entre o atrito do pneu e o solo, g é a aceleração da gravidade (m s-2)
Para o dimensionamento do sistema, parte-se de uma velocidade final máxima, baseada no subsistema de transmissão. De acordo com a relação final da transmissão, a velocidade máxima do protótipo é de aproximadamente 58 km h-1. É necessário fazer o dimensionamento nessa velocidade, mesmo que não atinja, devido a pista possuir muitos obstáculos. A Eq. 2 foi usada para a obtenção do tempo de frenagem.
𝑣𝑓 = 𝑣0+ 𝑎𝑡
Onde vf é a velocidade final do protótipo (m s-1), v0 é a velocidade inicial (m s-1), a é desaceleração pretendida (equivalente a Ax) e t é o tempo de frenagem (s).
De acordo com o software SolidWorks®, o momento de inércia do conjunto foi de 0,278 kg m².
Dimensionamento do sistema
Considerando o diâmetro do pneu de 0,560 m e um raio efetivo de 0,274 m, conforme metodologia de cálculo de Genta e Morello [4], torna-se possível estimar a distribuição de carga do protótipo, o centro de massa, dentre outras variáveis. Uma massa total de 320 kg, incluindo o piloto e o protótipo, foi estimada (carro com uma massa de 260 kg e o piloto com uma massa de 60 kg). Um fator de segurança de 1,2 foi considerado no projeto. O protótipo apresentou uma distância entre eixos (L) e bitola (Tf) igual a 1400 mm. A Eq. 3 possibilita a obtenção da carga total do protótipo.
𝑊𝑣= 𝑚𝑣 𝑥 𝑓𝑠 𝑥 𝑔
Onde Wv é a carga total (N), mv é a massa total do conjunto (kg), fs é o fator de segurança e g é a aceleração da gravidade (m s-2).
Para a realização do teste de altura do centro de gravidade (CG), foi necessário inclinar o carro sobre duas rodas laterais, conforme a Fig. 4. A Eq. 4 foi usada para o cálculo da altura do CG.
(1)
(2)
(3)
Figura 4. Protótipo inclinado sobre as rodas laterais
ℎ
𝑐𝑔= tan 90° − 𝜃 𝑥 𝐿 2
Onde hcg é a altura do centro de gravidade (m) e L é a distância entre os eixos (m).
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Com base no dimensionamento do sistema, pode-se selecionar os componentes reais do freio, existentes no mercado. Foram selecionados o cilindro mestre e as pinças de freio, considerando a relação obtida entre os diâmetros da pinça de freio com o cilindro mestre (no mínimo, 1,594). Usando uma margem de erro de 10%, esse novo valor passa a ser 1,754. A fim de minimizar a massa do carro, pinças flutuantes foram usadas (normalmente utilizadas em freios de motocicletas), atendendo com eficiência e tendo uma manutenabilidade mais simples, quando comparada com pinças de freio automotivas (pinças fixas). Na Tabela 3, estão selecionados alguns modelos e especificações, das pinças de motocicletas.
Tabela 3. Dados técnicos das pinças
Modelo Diâmetro equivalente do pistão [mm]
CG 125 Titan Ks/Es 32,00
CBX – Twister (duplo de 1”) 35,92 XR 250 Tornado (duplo de
27 mm) 38,20
Falcon Nx-400 38,09
CBR 300R 38,09
CB 400 38,09
CB 500 42,43
Para a seleção do cilindro mestre, deve-se atender às regras da competição, sendo necessário ser de câmara dupla (uma para a dianteira e outro para a traseira) e ter pelo menos quatro saídas de freio. Duas saídas para as pinças dianteiras, uma saída para a pinça traseira e uma outra saída para o interruptor de freio. O interruptor de freio tem a função de acionar a luz de freio, quando o cilindro mestre é acionado. No projeto, usou-se somente cilindro mestre de carros, visto que cilindro mestre de motos tem a necessidade de utilizar o balance-bar e possui maior risco de falhas, já que envolve mais componentes. Na Tabela 4, estão alguns cilindros mestre com especificação do diâmetro do pistão
Tabela 4. Dados técnicos dos cilindros mestre
Modelo Diâmetro do
pistão [mm]
Fiat Fiorino 2000 22,22
Ford Escort 1992 23,81
GM Monza 1988 22,22
VW Kombi 2002 23,81
VW Gol G2 20,63
VW Fusca 1977 19,05
Na Tabela 5, são apresentadas possíveis combinações de relação entre pinça de freio e cilindro mestre que poderão ser utilizadas, com razão entre diâmetro superior a 1,650.
O cilindro mestre do Gol G2 foi utilizado, devido à facilidade de obtenção no mercado, além de possuir um diâmetro de saída pequeno, possibilitando assim, com a relação dos diâmetros, empregar pinças de menor massa no carro.
Com a ideia de diminuir massa do carro, utilizou-se, na dianteira, as pinças da Falcon Nx-400, visto que é de baixa massa e de fácil acesso no mercado, entre as citadas anteriormente. Para utilizar esta pinça, deve-se fazer um suporte em alumínio, para aliviar peso e para o encaixe no montante da direção. Após isso, foi realizado a montagem do montante de direção, cubo de rodas, disco de freio e a pinça.
Para a traseira, utilizou-se a pinça da CBX – Twister, visto que no arranjo da transmissão, o encaixe será mais adequado, possibilitando o posicionamento do sangrador para cima, e o valor da razão de diâmetros está dentro da faixa procurada para a relação da pinça. Isso facilita a manutenção do sistema e melhora o projeto antigo, que apresentava problemas com relação a esse quesito.
As linhas de freio devem ser flexíveis, quando são expostas à movimentação. Normalmente, as mesmas são de borracha ou de teflon com malha externa de aço. A segunda alternativa citada, (4)
normalmente é utilizada para diminuir as perdas com dilatações e são resistentes, na área externa.
Tabela 5. Relação de escolha entre pinça e cilindro mestre com a razão entre diâmetros
Modelo da pinça
Modelo do cilindro
mestre
Razão entre diâmetro
[mm]
CG 125 Titan Ks/Es VW Fusca
1977 1,679
CBX – Twister VW Gol G2 1,741 CBX – Twister VW Fusca
1977 1,886
XR 250 Tornado VW Gol G2 1,851 XR 250 Tornado VW Fusca
1977 2,004
Falcon Nx-400 Fiat Fiorino
2000 1,714
Falcon Nx-400 GM Monza
1988 1,714
Falcon Nx-400 VW Gol G2 1,846 Falcon Nx-400 VW Fusca
1977 1,996
CBR 300R GM Monza
1982 1,714
CBR 300R VW Gol G2 1,846
CBR 300R VW Fusca
1977 1,996
Desta forma, utilizou uma linha flexível na frente, para a ligação do cilindro mestre às pinças dianteira, e a utilização de linha rígida para ligar o cilindro mestre à uma válvula de esfera do tipo borboleta, próximo ao piloto, para que tenha finalidade de freio de estacionamento. Na saída da válvula à pinça traseira, utilizou linha flexível. Todas as tubulações foram de 5/16”, por apresentarem maior resistência à pressão de trabalho e serem compatíveis nas conexões.
Levando em conta as considerações de ergonomia, o pedal foi projetado para ser acionado lateralmente, saindo do modo tradicional, de alavanca de cima para baixo. Tal necessidade se fez necessária, devido a caixa da elétrica ficar em baixo do capot, limitando a altura do sistema.
Foi testado um pedal de alumínio 6061, devido à maior leveza, comparado com os confeccionados de
aço, porém como a força aplicada pelo piloto é grande e precisa de um pedal mais compacto, devido à falta de espaço, foi feito o projeto em aço 1045 com espessura de 6 mm. Foi realizado o desenho do pedal em perfil “T”, tornando-o mais resistente, realizando também furos para o uso de parafusos.
Para o pisante do pedal, foi utilizado aço de 2 mm de largura, com uma leve curvatura para uma melhoria ergonômica. Portanto, um pisante com orelhinhas por meio da solda TIG [Tungsten Inert Gas] foi soldado, para a fixação do parafuso. O layout do pedal, é mostrado na Fig. 5(a-d).
Figura 5. (a) Vista frontal do sistema de acionamento, (b) vista superior do sistema de acionamento, (c) Vista lateral do sistema de acionamento e (d) projeto em perspectiva lateral do sistema de acionamento
O sistema projetado levou em consideração um coeficiente de segurança, para uma maior confiabilidade. Desta forma, apesar da massa de projeto total do carro, ser ligeiramente acima do real (+ 60 kg), isso trouxe a possibilidade de travamento das rodas em terrenos que tenham fator de atrito superior do que o usual do off-road e uma capacidade de suportar pilotos de maior peso. A variável massa do piloto é importante para análise, visto que durante a competição, na prova de segurança, existem pilotos da competição para testar o carro, e desconhece-se sua massa.
A Tabela 6 apresenta a relação de todas as peças comerciais utilizadas no projeto.
(b) (a)
(d) (c)
Tabela 6. Levantamento de todos os componentes do sistema de freio
Setor Descrição Quantidade
Manga de eixo
Disco dianteiro 2
Disco traseiro 1
Parafusos de fixação do
disco 12
Pinça de Falcon NX-
400 2
Pinça de CBX Twister 1 Parafusos de fixação da
pinça 6
Linhas
Conexões 10
Linha rígida de cobre
(5/16") [3m] 1 Linha flexível dianteira
direita 1
Linha flexível dianteira
esquerda 1
Linha flexível traseira 1 Válvula de esfera
(5/16") 1
Pedaleira
Cilindro mestre 1 Sensor de pressão 1 Fluido de freio DOT 4
[1 L] 1
Pedal de freio 1
Parafuso fixação
cilindro mestre 2 Porca de fixação
cilindro mestre 2 Parafuso para conjunto
do pedal 3
Porca de fixação
conjunto do pedal 3
CONCLUSÕES
Neste trabalho, foram abordados diversos conceitos fundamentais para o entendimento sobre o sistema de freio e seus componentes, desenvolvendo uma profunda compreensão sobre o assunto estudado.
O sistema de freios desenvolvido neste projeto,
atendeu todo os requisitos do dimensionamento, sejam esses técnicos, ergonômicos, manutenabilidade e seguro. O protótipo foi aprovado na prova de segurança e se manteve eficiente durante todo enduro de resistência, além de contar pontuação para a equipe SamaBAJA em competições Baja SAE.
O trabalho teve a finalidade de desenvolver uma metodologia para dimensionamento do sistema de freio, deixando documentado todo o conhecimento adquirido no tempo de equipe. A partir desse conhecimento, foi possível manter um processo de melhoria contínua do freio.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo - IFES e ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica - PPGMEC da Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG pela estrutura física e apoio. Os autores agradecem às agências brasileiras CAPES, CNPq e FINEP pelo apoio financeiro.
REFERÊNCIAS
1. SAE BRASIL. Regras e relatórios. 2017.
Disponível em: <http://portal.sae brasil.org.br/programas-estudantis/baja-sae- brasil/regras>. Acesso em: 15 abr. 2019.
2. YOSHIDA, L. S. Projeto adaptativo de um sistema de freios para utilização em carro de competição classe fórmula SAE. 2013.
Disponível em:
<www.tcc.sc.usp.br/tce/disponiveis/18/18062700 / tce.../Yoshida_Lucas_Silva.pdf>. Acesso em:
17 fev. 2019.
3. BLAU, P. J. Friction Science and Technology. 2.
ed. New York: Crc, 2008. Disponível em:
<http://mait4us.weebly.com/uploads/9/3/5/9/935 9206/friction_ science_and_technology.pdf>.
Acesso em: 15 mar. 2019.
4. GENTA, G.; MORELLO, L. The Automotives Chassis. 2. ed. Warrendale, Pennsylvania:
System Design, 2009. Disponível em:
<https://www.springer.com/gp/book/978140208 6731>. Acesso em: 22 ago. 2018.
