ALFREDO
ALFREDO GAY GAY NETO NETO nº nº USP: USP: 37293143729314 MARCELO
MARCELO LINDENBERG LINDENBERG GRAVINA GRAVINA nº nº USP: USP: 37298883729888 RAFAEL
RAFAEL ANTONIO ANTONIO BRUNO BRUNO nº nº USP: USP: 37288313728831 RENE
RENE NOGUEIRA NOGUEIRA TING TING nº nº USP: USP: 37302083730208 TALES
TALES ADRIANO ADRIANO FERREIRA FERREIRA nº nº USP: USP: 37524223752422 THOMAS
THOMAS LUDI LUDI FARINA FARINA MORENO MORENO nº nº USP: USP: 37291513729151 TIAGO
TIAGO MARQUES MARQUES LOPES LOPES nº nº USP: USP: 37292483729248 VALTER
VALTER UNTERBERGER UNTERBERGER FILHO FILHO nº nº USP: USP: 35285223528522 VINÍCIUS
VINÍCIUS LOPES LOPES DOS DOS SANTOS SANTOS nº nº USP: USP: 37256723725672
SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA
SISTEMA DE FREIO A DISCO AUTOMOTIVO SISTEMA DE FREIO A DISCO AUTOMOTIVO
Trabalho da disciplina PME Trabalho da disciplina PME 2380 – Propriedades e Seleção de 2380 – Propriedades e Seleção de
Materiais para Engenharia
Materiais para Engenharia
Mecânica Mecânica SÃO PAULO SÃO PAULO 2004 2004
ALFREDO
ALFREDO GAY GAY NETO NETO nº nº USP: USP: 37293143729314 MARCELO
MARCELO LINDENBERG LINDENBERG GRAVINA GRAVINA nº nº USP: USP: 37298883729888 RAFAEL
RAFAEL ANTONIO ANTONIO BRUNO BRUNO nº nº USP: USP: 37288313728831 RENE
RENE NOGUEIRA NOGUEIRA TING TING nº nº USP: USP: 37302083730208 TALES
TALES ADRIANO ADRIANO FERREIRA FERREIRA nº nº USP: USP: 37524223752422 THOMAS
THOMAS LUDI LUDI FARINA FARINA MORENO MORENO nº nº USP: USP: 37291513729151 TIAGO
TIAGO MARQUES MARQUES LOPES LOPES nº nº USP: USP: 37292483729248 VALTER
VALTER UNTERBERGER UNTERBERGER FILHO FILHO nº nº USP: USP: 35285223528522 VINÍCIUS
VINÍCIUS LOPES LOPES DOS DOS SANTOS SANTOS nº nº USP: USP: 37256723725672
SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA
SISTEMA DE FREIO A DISCO AUTOMOTIVO SISTEMA DE FREIO A DISCO AUTOMOTIVO
Trabalho da disciplina PME Trabalho da disciplina PME 2380 – Propriedades e Seleção de 2380 – Propriedades e Seleção de
Materiais para Engenharia
Materiais para Engenharia
Mecânica Mecânica Área de Concentração: Área de Concentração: Engenharia Mecânica Engenharia Mecânica Orientador: Orientador:
Prof. Dr. Deniol Katsuki Tanaka Prof. Dr. Deniol Katsuki Tanaka
SÃO PAULO SÃO PAULO
2004 2004
RESUMO RESUMO
O presente trabalho reúne elementos indispensáveis para o entendimento do O presente trabalho reúne elementos indispensáveis para o entendimento do mecanismo de funcionamento de um sistema de freios automotivo. Suas mecanismo de funcionamento de um sistema de freios automotivo. Suas particularidades, efeitos e propriedades importantes, histórico de desenvolvimento e particularidades, efeitos e propriedades importantes, histórico de desenvolvimento e tipos de sistema em uso na atualidade também constituem tópicos amplamente tipos de sistema em uso na atualidade também constituem tópicos amplamente abordados. Numa segunda etapa, é feita uma análise, sob a ótica da seleção de abordados. Numa segunda etapa, é feita uma análise, sob a ótica da seleção de materiais, do sistema de freios a disco, culminando com a escolha do melhor material materiais, do sistema de freios a disco, culminando com a escolha do melhor material para o sistema a partir de cartas de seleção de material e de documentos que abordam para o sistema a partir de cartas de seleção de material e de documentos que abordam resultados experimentais de materiais atualmente empregados na construção de um resultados experimentais de materiais atualmente empregados na construção de um sistema de freios a disco automotivo.
ABSTRACT
This work combines elements indispensable for the understanding of the working mechanisms of automotive braking systems. Its particularities, important effects and properties, brief historical development and different kinds of systems in use nowadays are some of the most important issues discussed. In a second phase, this work presents an analysis, under the aspects of material selection, of the disc brake system, ending with the choice of the best material for a disc brake, based on material selection charts and papers which contain experimental results of tests with the most used materials for building an automotive disk brake system.
SUMÁRIO RESUMO ABSTRACT 1. INTRODUÇÃO... 01 2. HISTÓRICO... 02 2.1 Os Sistemas... 02 2.2 Os Materiais... 03
3. PROPRIEDADES IMPORTANTES DE UM SISTEMA DE FREIO... 05
3.1 Atrito... 05
3.1.1. Tribologia em Freios... 06
3.1.2. Atrito em Feios - Modelos e Observações Experimentais 09 3.1.3. Materiais para Construção de Pastilhas de Freio... 12
3.2. Propriedades Térmicas... 13
3.3. Resistência ao Desgaste... 19
3.3.1. O Desgaste em Discos de Freio... 23
3.3.2. Ensaio do Desgaste em Discos de Freio... 24
3.4 Vibrações... 26
3.5 Ruído... 28
3.6 Resistência Térmica e Mecânica... 29
3.7. Fatores Externos... 32 3.7.1. Sensibilidade ao Meio-Ambiente... 32 3.7.2. Condições de Operação... 33 3.7.2.1. “Fade” e Recuperação... 33 3.7.2.2. “Green Effectiveness”... 34 3.7.2.3. Sensibilidade à Velocidade... 34
4. SISTEMAS DE FREIO AUTOMOTIVO... 35
4.1. Freio a Disco... 35
4.1.1. Componentes... 35
4.1.2. Mecanismo e Funcionamento... 37
4.2. Freio a Tambor... 37
4.2.1.1. Tambor... 38
4.2.1.2. Lona e Sapata... 39
4.2.1.3. Cilindro de Roda... 40
4.2.1.4. Molas de Retorno... 40
4.2.1.5. Sistema de Ajuste Automático... 40
4.3. Freio ABS... 40
4.4. Comparação entre os Sistemas de Freio Automotivos... 41
5. SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA O FREIO A DISCO... 43
5.1. Resistência Mecânica ... 43 5.1.1 Índice de Desempenho... 43 5.1.2 Seleção de Materiais... 45 5.2 Fadiga Térmica... 46 5.2.1 Índice de Desempenho... 46 5.2.2 Seleção de Materiais... 48 5.3. Atrito... 49 5.4. Propriedades Térmicas... 50 5.5. Resistência ao Desgaste... 52
5.6. O Melhor Material para o Freio a Disco... 52
7. CONCLUSÃO... 54
LISTA DE FIGURAS LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Fatores Mecânicos e Tribológicos Importantes para o Projeto do Figura 1.1 - Fatores Mecânicos e Tribológicos Importantes para o Projeto do Freio... 01 Freio... 01 Figura
Figura 2.1 2.1 - - Esquema Esquema Simplificado Simplificado de de um um Freio Freio a a Disco...Disco... ... 0202 Figura 2.3 - Aumento da Importância ao Longo do Tempo de Propriedades Figura 2.3 - Aumento da Importância ao Longo do Tempo de Propriedades Mecânicas
Mecânicas do do Material Material do do Sistema Sistema de de Freios...Freios... ... 0404 Figura
Figura 3.1.1 3.1.1 – – Diferentes Diferentes Níveis Níveis de de Imperfeição Imperfeição de de Superfícies... Superfícies... 0606 Figura
Figura 3.1.2 3.1.2 – – Rugosidade Rugosidade Superficial Superficial de de uma uma Pastilha Pastilha de de Freio... Freio... 0707 Figura 3.1.3 – Ilustração do Mecanismo de Contato Rápido com Variação de Figura 3.1.3 – Ilustração do Mecanismo de Contato Rápido com Variação de Área... 08 Área... 08 Figura 3.1
Figura 3.1.4 – .4 – Variação do Variação do Coeficiente de Coeficiente de Atrito SeguAtrito Segundo ndo Freadas Seqüenciais Freadas Seqüenciais 0909 Figura
Figura 3.1.5 3.1.5 – – Coeficiente Coeficiente de de Atrito Atrito em em Função Função da da Temperatura Temperatura de de Frenagem Frenagem 1010 Figura 3.1.6 – Variação do Coeficiente de Atrito Enquanto se Freia com Pressão de Figura 3.1.6 – Variação do Coeficiente de Atrito Enquanto se Freia com Pressão de Contato
Contato e e Velocidade Velocidade de de Deslizamento Deslizamento Constantes...Constantes... ... 1111 Figura 3.1.7 – Efeito da Pressão de Contato no Atrito de um Freio de Material Figura 3.1.7 – Efeito da Pressão de Contato no Atrito de um Freio de Material Compósito... 12 Compósito... 12 Figura 3.1.8 – Efeitos no Coeficiente de Atrito Provocados pela Adição de Silício e Figura 3.1.8 – Efeitos no Coeficiente de Atrito Provocados pela Adição de Silício e Alumínio
Alumínio em em Material Material para para Freio Freio Prensado Prensado e e Sinterizado...Sinterizado... ... 1212 Figura 3.2.1 – Ilustração da Distribuição de Temperaturas Feita com uma Câmera de Figura 3.2.1 – Ilustração da Distribuição de Temperaturas Feita com uma Câmera de Raios
Raios Infra-vermelhos...Infra-vermelhos... ... 1515 Figura
Figura 3.2.2 3.2.2 – – Curva Curva de de Resfriamento Resfriamento por por Convecção...Convecção... ... 1717 Figura
Figura 3.2.3 3.2.3 – – Coeficiente Coeficiente de de Transferência Transferência de de Calor Calor por por Radiação... Radiação... 1717 Figura 3.2.4 – Dissipação de Calor por Cada um dos Modos de Transferência de Figura 3.2.4 – Dissipação de Calor por Cada um dos Modos de Transferência de Calor
Calor a a 600ºC...600ºC... ... 1818 Figura
Figura 3.3.1 – a) Formação de Ilhas de Óxido; b) e c) Crescimento das Ilhas; d) Figura 3.3.1 – a) Formação de Ilhas de Óxido; b) e c) Crescimento das Ilhas; d) Destruição
Destruição das das Camadas Camadas Oxidadas Oxidadas e e Formação Formação de de Novas Novas Ilhas... Ilhas... 1919 Figura
Figura 3.3.2 3.3.2 - a) - a) Desgaste Abrasivo Desgaste Abrasivo a Da Dois Corpois Corpos; b) os; b) Desgaste a Desgaste a Três CorpTrês Corpos os 2020 Figura 3.3.3 – Interações Físicas entre as Partículas Abrasivas e as Superfícies dos Figura 3.3.3 – Interações Físicas entre as Partículas Abrasivas e as Superfícies dos Materiais... 20 Materiais... 20 Figura 3.3.4 – Mudança do Tipo de Mecanismo de Desgaste e Taxa de Desgaste em Figura 3.3.4 – Mudança do Tipo de Mecanismo de Desgaste e Taxa de Desgaste em Função
Função do do Ângulo Ângulo de de Ataque...Ataque... ... 2121 Figura
Figura 3.3.5 3.3.5 – – Formação Formação de de Trinca Trinca Propagando-se Propagando-se Paralela Paralela à à Superfície.... Superfície.... 2121 Figura
Figura 3.3.6 3.3.6 – – Representação Representação da da Máquina Máquina de de Ensaio Ensaio dos dos Discos... Discos... 2424 Figura
Figura 3.3.7 3.3.7 – – Desgaste Desgaste dos dos Discos Discos com com Relação Relação ao ao Tempo...Tempo... ... 2525 Figura
Figura 3.3.8 3.3.8 – – Desgaste Desgaste do do Pino Pino em em Relação Relação ao ao Tempo...Tempo... ... 2525 Figura
Figura 3.3.9 3.3.9 – – Detritos Detritos do do Pino Pino Aderidos Aderidos à à Superfície Superfície Desgastada... Desgastada... 2626 Figura
Figura 3.3.10 3.3.10 – – Lamelas Lamelas de de Grafita Grafita Funcionam Funcionam como como Depósitos Depósitos de de Detritos Detritos 2626 Figura
Figura 3.3.11 3.3.11 – – Riscos Riscos Profundos Profundos nas nas Superfícies Superfícies Desgastadas... Desgastadas... 2626 Figura
Figura 3.4.1 3.4.1 – – Holografia Holografia de de um um Sistema Sistema de de Freios...Freios... ... 2727 Figura
Figura 3.5.1 3.5.1 – – Foto Foto de de um um Equipamento Equipamento de de Teste...Teste... ... 2828 Figura
Figura 3.5.2 3.5.2 – – Resultado Resultado Demonstrativo Demonstrativo de de um um Teste Teste de de Ruído...Ruído... ... 2828 Figura
Figura 3.6.1 3.6.1 – – Distribuição Distribuição de de Temperaturas Temperaturas no no Disco Disco no no Tempo... Tempo... 2929 Figura 3.6.2 – Disco de Freio em Processo de Dissipação de Energia por Figura 3.6.2 – Disco de Freio em Processo de Dissipação de Energia por Irradiação... 29 Irradiação... 29 Figura 3.6.3 – Temperatura na Espessura no Disco de Freio em Função do Número Figura 3.6.3 – Temperatura na Espessura no Disco de Freio em Função do Número de
de Frenagens...Frenagens... ... 3030 Figura
Figura 3.6.4 3.6.4 – – Formação Formação de de Trincas Trincas Devido Devido às às Tensões Tensões Térmicas... Térmicas... 3030 Figura
Figura 3.6.5 3.6.5 – – Disco Disco de de Freio Freio Frontal Frontal de de uma uma Pickup Pickup Ford Ford F-250... F-250... 3131 Figura
Figura 3.6.6 3.6.6 – – Curva Curva S-N...S-N... ... 3131 Figura
Figura
Figura 4.1 4.1 - - Cilindro Cilindro Mestre Mestre e e Reservatório...Reservatório... ... 3535 Figura
Figura 4.2 4.2 - - Pastilhas...Pastilhas... ... 3636 Figura
Figura 4.3 4.3 - - Discos...Discos... ... 3636 Figura
Figura 4.4 4.4 - - Esquema Esquema de de Pinça...Pinça... ... 3737 Figura
Figura 4.5 4.5 - - Esquema Esquema do do Mecanismo Mecanismo do do Freio Freio a a Disco...Disco... ... 3737 Figura
Figura 4.6 4.6 - - Mecanismo Mecanismo do do Freio Freio de de Mão...Mão... .... 3838 Figura
Figura 4.7 4.7 - - Freio Freio a a Tambor Tambor com com o o Tambor Tambor Montado...Montado... ... 3838 Figura
Figura 4.8 4.8 - - Perspectiva Perspectiva Explodida Explodida do do Mecanismo Mecanismo de de Freio Freio a a Tambor... Tambor... 3939 Figura
Figura 4.9 4.9 - - Conjunto Conjunto Lona/Sapata...Lona/Sapata... ... 3939 Figura
Figura 4.10 4.10 - - Exemplos Exemplos de de Cilindros Cilindros de de Roda...Roda... . 4040 Figura
Figura 5.1.1 5.1.1 - - Diagrama Diagrama de de Corpo Corpo Livre Livre de de uma uma Roda Roda (Rotor (Rotor + + Pneu)... Pneu)... 4343 Figura 5.1.2 - Carta de Seleção de Materiais (Módulo de Tenacidade em Função da Figura 5.1.2 - Carta de Seleção de Materiais (Módulo de Tenacidade em Função da Densidade)... 45 Densidade)... 45 Figura
Figura 5.2.1 5.2.1 - - Conjunto Conjunto Disco-Cubo; Disco-Cubo; Diagramas Diagramas de de Corpo Corpo Livre... Livre... 4747 Figura 5.2.2 - Carta de Seleção de Materiais (Tensão Normalizada X Coeficiente de Figura 5.2.2 - Carta de Seleção de Materiais (Tensão Normalizada X Coeficiente de Expansão
Expansão Térmica)...Térmica)... ... 4848 Figura 5.4.1 - Carta de seleção de materiais (Condutividade térmica X Difusibilidade Figura 5.4.1 - Carta de seleção de materiais (Condutividade térmica X Difusibilidade térmica)... 50 térmica)... 50 Figura 5.4.2 - Carta de seleção de materiais (Coeficiente de dilatação térmica X Figura 5.4.2 - Carta de seleção de materiais (Coeficiente de dilatação térmica X Condutividade
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 – Composição Química dos “Plateaus”... 07
Tabela 5.1 – Características para Obtenção do Índice de Desempenho... 44
Tabela 5.2 – Características para Obtenção do Índice de Desempenho... 46
1. INTRODUÇÃO
Henry Ford, ao introduzir o seu famoso modelo “Ford T”, em 1908, revolucionou a indústria automobilística. Não pelas tecnologias inovadoras empregadas em seu carro, mas sim pela maneira de produção: o Ford T foi o primeiro carro desenvolvido para a produção em massa, mudando, para sempre, a forma de produção nas indústrias de todo o mundo. O Ford T pesava 550 kg, possuía um motor de 20 HP e uma velocidade máxima de aproximadamente 65km/h.
Em 1991, a Mercedes-Benz introduziu seu modelo “Série 600”. Os Série 600 pesavam mais de 2 toneladas, possuíam um motor de 400 HP e uma velocidade máxima limitada eletronicamente em 250 km/h por motivos de segurança. Constata-se, portanto, que a máxima energia cinética desenvolvida por um automóvel aumentou 54 vezes em 83 anos [ERIKSSON, 2000].
Com toda essa evolução, tornou-se importante desenvolver cada vez mais o sistema de freios automotivo. Apropriadamente, isto tem sido feito através do aumento do “poder de frenagem” e da confiabilidade do sistema [KINKAID, 2003]. Assim, há alguns requerimentos que o
sistema deve preencher e constantemente aprimorar. Tais requerimentos são a resistência ao desgaste, resistência a trincas formadas pelo calor, capacidade de
abafamento sonora,
capacidade de suportar outras forças que não as resultantes
da frenagem, boa usinabilidade, amortecimento das vibrações internas do sistema e, principalmente, uma alta eficiência de frenagem [JIMBO, 1990].
Há diferentes sistemas de freio automotivos. Hoje em dia, são utilizados os sistemas de freio a tambor (principalmente em veículos de grande porte, como caminhões e ônibus) e freio a disco (em veículos menores, como carros) [ERIKSSON, 2000].
Figura 1.1: Fatores Mecânicos e Tribológicos Importantes para o Projeto do Freio (onde E=Ecology, W=Wear, C=Cost,
P=Performance, NVH=Natural Vibration Harshness). [BRECHT, 2003]
2. HISTÓRICO 2.1. Os Sistemas
No início do século XX, o engenheiro britânico William Lanchester (1868-1946) patenteou um sistema de freio a disco. Na patente, Lanchester o descreveu consistindo de um disco de metal rigidamente conectado a uma das rodas traseiras de um veículo. Para frear o veículo, o disco seria apertado em sua borda por um par de garras.
Discos de freio como os conhecemos foram primeiramente utilizados em 1951 pelos irmãos Conze, na famosa corrida das 500 milhas de
Indianápolis, nos EUA [MACNAUGHTON, 1998]. É importante ressaltar que a utilização de categorias de competição automobilística para o desenvolvimento de novas tecnologias é uma prática comum na indústria.
Até os anos 70, os automóveis nos Estados Unidos eram equipados com freios a tambor nas rodas dianteiras. A maior parte dos tambores nesses sistemas era de ferro fundido ou de uma liga de alumínio em uma matriz de ferro fundido [MACNAUGHTON, 1998].
A introdução da Legislação para Segurança de Veículos Motores (Federal Motor Vehicle Safety Standard, FMVSS), que impôs padrões mais severos em relação à distância de frenagem e ao desgaste de freios, fez com que o sistema de freios utilizado (os freios dianteiros) correspondessem a cerca de 75% da potência de frenagem. Isso fez com que os freios dianteiros fossem considerados cruciais para atender a FMVSS, o que contribuiu para a difusão do sistema de freios a disco pelas principais indústrias automobilísticas, primeiro americanas, depois mundiais [KINKAID, 2003].
Os sistemas de freio modernos possuem importantes características de projeto: a força aplicada no pedal é diretamente proporcional à força de frenagem; convertem grandes quantidades de energia em calor; o sistema deve ser auto-ajustável, isto é,
Figura 2.1: Esquema Simplificado de um Freio a Disco. [KINKAID,
não deve necessitar de ajustes periódicos de partes mecânicas; o sistema deve ser fácil de controlar e ter uma manutenção simples. Tais características são mais bem atendidas nos freios a disco que nos freios a tambor, pois os primeiros, além dos fatores anteriormente mencionados, ainda possuem menor distância de frenagem, alto torque resistivo, melhor resistência à fadiga térmica e tamanho e peso menores. O sistema ABS (Anti-lock Braking System) é considerado o maior avanço em sistemas de frenagem automotiva desde o advento dos sistemas hidráulicos [RINEK, 1995]. Basicamente, o sistema consiste em um mecanismo que impede o travamento das rodas ao se acionar o freio, não permitindo derrapagem na frenagem.
A tecnologia nasceu na indústria ferroviária, no início do século XX, progredindo para os automóveis (em estágio conceitual) em 1936. Entretanto, os primeiros sistemas ABS possuíam desempenho limitado, confiabilidade menor do que o desejável e custos relativamente altos, o que significou o abandono temporário da tecnologia. Em 1979, engenheiros da Bosch e da Mercedes-Benz introduziram um sistema de freios ABS confiável, completamente digital e eletrônico.
Todos os sistemas que existem atualmente derivaram desse modelo, o que popularizou e barateou a tecnologia. Atualmente, os ABS eletrônicos dependem de sensores de relutância variável em cada roda, montados próximos a um anel dentado rotativo, que alimenta ondas senoidais de freqüência e amplitude variáveis para o computador, que por sua vez calcula a velocidade e aceleração da roda. Inúmeros algoritmos são empregados para determinar se uma ou mais rodas desaceleraram rápido demais (o que caracteriza o travamento), o que comanda a o aumento ou decréscimo da pressão dos freios na forma de pulsos [RINEK, 1995].
2.2 Os Materiais
Nos primeiros sistemas de freio, as superfícies de desgaste não recebiam muita atenção em termos de engenharia. Utilizavam-se couro, madeira e materiais tecidos emborrachados [RINEK, 1995]. Tendo-se em vista que as velocidades desenvolvidas eram menores, tais materiais preenchiam os requerimentos de maneira satisfatória. Conforme os carros foram evoluindo, foi necessário melhorar a vida e a performance dos revestimentos de freios. Isso requeria materiais com maior resistência ao calor. Em 1923, químicos descobriram as propriedades de materiais reforçados com fibras
de amianto, unidos por resinas orgânicas. Entretanto, o amianto, um silicato de cálcio e magnésio, não-combustível e fibroso, provou possuir propriedades cancerígenas, tendo seu uso sido banido nos EUA em 1993 [RINEK, 1995].
O material mais comumente utilizado nos dias de hoje é o ferro fundido cinzento, por ser confiável, barato e fácil de produzir em larga escala. Além disso, é razoavelmente leve e resistente, possui uma excelente capacidade de amortecimento de vibrações e possui uma ótima condutibilidade térmica. O ferro fundido cinzento ainda possui uma propriedade singular: seu calor específico aumenta com a temperatura, melhorando, portanto, sua capacidade de absorver energia térmica adicional gerada pela ação de frenagem.
Para automóveis de alta performance, como carros de corrida ou carros esportivos de luxo, são utilizados compósitos de carbono. Entretanto, seu preço elevado o torna proibitivo para uso convencional [MACNAUGHTAN, 1998].
Com o passar das décadas, a exigência das características que o material da pastilha de freio deveria exibir foi aumentando, sempre de acordo com as descobertas científicas da época e com os testes que iam sendo feitos com maior freqüência, sempre visando aumentar a segurança dos equipamentos.
Figura 2.2: Aumento da Importância ao Longo do Tempo de Propriedades Mecânicas do Material do Sistema de Freios. [BRECHT, 2003]
3. PROPRIEDADES IMPORTANTES DE UM SISTEMA DE FREIOS 3.1 Atrito
Um dos mais importantes fenômenos físicos relacionados a sistemas de frenagem é o atrito existente entre a pastilha e o disco de freio. A respeito do início do estudo de atrito seco, pode-se dizer que Leonardo da Vinci foi quem notou correlação positiva entre a força normal e a força de atrito. O mesmo notou que a as variações de área de contato aparentes dos corpos não influenciavam no valor da força de atrito. A relação entre o valor da força de atrito (FA) e a força normal (FN) é uma constante
denominada coeficiente de atrito ( ), de modo que
N A F F = µ [ERIKSSON, 2000].
Observa-se que a força de atrito atua segundo a direção tangente ao plano de contato entre dois corpos e que seu sentido é contrário ao sentido da velocidade relativa dos corpos em caso de atrito cinético (ou dinâmico) e que é contrária à solicitação de forças externas no caso em que não ocorre escorregamento (atrito estático).
O atrito serve no sistema de frenagem como um dissipador da energia cinética, transformando-a em calor, que é dissipado para o ambiente, e em energia de superfície [PETER].
A força de atrito entre duas superfícies é determinada pelos principais fatores: as propriedades de contato dos materiais e a área real de contato. Tal força não é determinada de maneira trivial, pois esses dois fatores variam muito segundo as condições de estudo e operação do conjunto em questão. As superfícies podem ser descritas pelas características a seguir [ASM HANDBOOK]:
• Topografia: ondulações variam desde a escala atômica até tamanhos próximos ao da peça. Existem marcas devido a processos de fabricação, pequenos vales devido a micro-eventos e ainda rugosidade em escala atômica;
• Macrodesvios: desvios de forma, geralmente causados por fatores como a
fabricação do componente;
• Ondulações: causadas por pequenas vibrações periódicas do equipamento de fabricação durante o processo;
• Rugosidade: causada pela geometria das ferramentas de corte e pelas ondulações sofridas na produção da peça;
• Micro-rugosidade: surge devido à estrutura cristalina da superfície, e é
afetada na escala atômica, sendo até mesmo influenciada por imperfeições no material. Efeitos de corrosão são notados nessa escala.
A figura 3.1.1 ilustra os diferen-tes níveis de análise das imper-feições da superfí-cie dos materiais. Os efeitos listados induzem a criação de modelos de atrito para descre-ver o
comporta-mento de sistemas de freios. O modelo mostrado acima para cálculo do valor da força de atrito é o mais simples (modelo de Coulomb).
3.1.1. Tribologia em Freios
As pastilhas de freio possuem certa área de contato aparente com os discos de freio, porém apenas cerca de 20% de tal área aparente apresenta verdadeiro contato. Normalmente as pastilhas de freio são compósitos formados por materiais com propriedades mecânicas muito diferentes. A superfície das pastilhas de freio possui uma complexa estrutura formada por “plateaus” distribuídos. Tais “plateaus” são definidos como as partes da pastilha que apresentam contato com o disco de freio. A força de frenagem é transmitida por áreas de contato que correspondem aos “plateaus”, cujos tamanhos e composições são de crucial influência para a atuação do atrito [ERIKSSON, 2000].
Comparando-se a interface de um freio real composto de pastilha e disco de freio com uma possível interface composta de duas peças de ferro fundido em contato, verifica-se que o número de áreas de contato seria muito menor no caso do ferro
Figura 3.1.1 – Diferentes níveis de imperfeição de superfícies [ASM HANDBOOK].
fundido. Isso ocorre devido à maior rigidez do material apresentado na segunda interface [ERIKSSON, 2000].
A composição química dos “plateaus” é, usualmente, dominada por ferro na forma de óxido de ferro ou na forma de aço. Formas como FeO e Fe3O4são dominantes nos
“plateaus”. Segue, uma tabela referente à composição química dessas estruturas. Elemento Porcentagem em massa Porcentagem atômica Ferro 65 40 Oxigênio 25 52 Cobre 5 3 Silício 3 3 Enxofre 2 2
Tabela 3.1 – Composição Química dos “Plateaus” [ERIKSSON, 2000].
A área de contato durante a frenagem está longe de ser constante, bem como as composições químicas da interface de contato entre o disco e a pastilha de freio.
São explicados abaixo alguns efeitos dinâmicos que ocorrem na frenagem. Estes podem ser divididos em efeitos segundo processos rápidos, e segundo processos lentos.
Processos rápidos: uma rápida atuação da pressão de contato no freio
provoca os seguintes efeitos [ERIKSSON, 2000]:
• Maior área de contato do que antes da frenagem;
Figura 3.1.2 – Rugosidade superficial de uma pastilha de freio (2 “plateaus”) [ERIKSSON, 2000].
• Redistribuição dos esforços nos plateaus, sendo que os maiores esforços são absorvidos naqueles de composição química mecanicamente mais estável,
uma vez que os plateaus podem apresentar-se em diferentes composições químicas. Logo, a composição do material que transmite o atrito efetivamente na frenagem é modificada.
• A pressão de frenagem na superfície varia, ainda, segundo outras
influências, como o ruído de freio.
Processos Lentos: tipicamente ocorrem após alguns segundos de frenagem.
Situações práticas de suas atuações são, por exemplo, no caso frenagens não muito intensas, de grande duração promovendo baixas desacelerações no veículo. As conseqüências abaixo discriminadas podem ocorrer [ERIKSSON, 2000]:
• Formação, crescimento e desintegração de “plateaus” de contato. Envolvem aglomeração e compactação ao redor de núcleos de resistência maior do material.
• Adaptações da forma em nível microscópico ocorrem com o aumento do
esforço exigido do material. Existe deformação localizada nos “plateaus”. Mecanismos elásticos e plásticos ocorrem, aumentando a área de contato na interface disco-pastilha.
• Adaptações da forma em nível macroscópico, pois as partes mais duras do
material das pastilhas inicialmente promovem polimento na superfície do disco, fazendo-o ficar mais bem adaptado a sua forma. Após a deformação sofrida no disco, devido à atuação de esforços provenientes
Figura 3.1.3 – Ilustração do mecanismo de contato rápido com variação de área [ERIKSSON, 2000]: a)O número de “plateaus” aumenta segundo a deformação elástica da pastilha; b)A área de
contato real de cada “plateau” aumenta com a deformação plástica.
da pastilha, a configuração do disco de freio vai ser ondulada. Formas de onda circulares concêntricas são notadas durante a atuação do freio.
3.1.2. Atrito em Feios – Modelos e Observações Experimentais
Todas as conseqüências dos processos lentos descritos anteriormente provocam variações no coeficiente de atrito. Em processos rápidos, a medição da variação desse coeficiente é dificultada [ERIKSSON, 2000].
Uma situação na qual é possível notar variação do coeficiente de atrito é na utilização de pastilhas de freio nunca previamente usadas. Tais peças demandam um certo tempo de ação para que funcionem da maneira correta (para a qual foram projetadas). Inicialmente existem resíduos de forma na superfície devido aos processos de fabricação. Durante as primeiras atuações do freio sua eficiência vai mudando, pois vão surgindo os “plateaus” com o desgaste inicial da pastilha. A transformação da estrutura inicial da superfície para a estrutura composta por “plateaus” é mais rápida na pastilha do que nos discos de freio. Nas primeiras, apenas cinco freadas já são suficientes para estabilizar um valor aproximadamente constante de coeficiente de atrito. Já nos discos de freio, somente após cerca de trinta atuações do freio é que é estabilizada a estrutura superficial definitiva. Quando a estrutura definitiva é alcançada,
temos uma maior estabilidade no valor do coeficiente de atrito na frenagem [ERIKSSON, 2000]. É observado na figura 3.1.4 que ocorre um aumento do valor do coeficiente de atrito conforme o freio é mais utilizado. Isso ocorre devido a adaptações e formações de “plateaus”. Durante longos testes de freio nota-se que tal fenômeno é independente da temperatura inicial do teste. Em diferentes temperaturas de atuação
Figura 3.1.4 – Variação do coeficiente de atrito segundo freadas seqüenciais [ERIKSSON, 2000]: a)Pastilha de
o valor do coeficiente de atrito que inicialmente atua é o mesmo [ERIKSSON, 2000]. Cada tipo de pastilha apresenta diferentes comportamentos com relação ao aumento do coeficiente de atrito conforme é aumentado o número de freadas. Um dos fatores influentes no formato da curva que descreve esse fenômeno é a umidade relativa do ar. Ambientes secos promovem efeitos mais evidentes do que ambientes úmidos (maior variação do valor do coeficiente de atrito) [ERIKSSON, 2000].
A respeito da dependência do valor do coeficiente de atrito com a velocidade relativa de escorregamento das superfícies, pode-se dizer que é um assunto da pauta de pesquisadores desde a época de Coulomb até a época atual. Coulomb mostrou que o coeficiente de atrito cinético poderia ser uma função da
velocidade relativa de escorregamento. O mesmo pesquisador diria que o coeficiente de atrito estático é sempre maior do que o coeficiente de atrito cinético. Tal fato é aceito até hoje.
Modelos existentes para sistemas de freio são extremamente complexos e trazem muitas dependências de efeitos dinâmicos. Por isso, não foram ainda adotados pela comunidade de pesquisadores de frenagem. Ainda não existe concisão nos modelos de atrito a respeito da dependência ou não da velocidade relativa de escorregamento. Enquanto os modelos clássicos adotados não levam em conta tal efeito, é observada uma variação do valor do coeficiente de atrito estático conforme é mudada a velocidade relativa de escorregamento. Tal comportamento é observado na prática como decrescente com o aumento do valor da velocidade relativa. Por isso, possivelmente, existe alguma relação mais complexa para descrever o atrito seco [KINKAID, 2003].
Segundo Orthwein [ORTHWEIN, 1986], o coeficiente de atrito é uma função da pressão de contato, da temperatura e da velocidade relativa de deslizamento das superfícies. Parte do aumento do coeficiente de atrito é explicada pela redução da
Figura 3.1.5 – Coeficiente de atrito em função da temperatura de frenagem [ERIKSSON, 2000].
velocidade de deslizamento do disco durante a parada. A maioria das pastilhas mostra maiores valores de
coeficiente de atrito em mais baixas velocidades de deslizamento e, portanto, maior tempo para realizar a frenagem como mostrado na figura 3.1.6 [ERIKSSON, 2000].
Existem diferentes tipos de
frenagem com diferentes efeitos. São eles [PETER]:
• Frenagem nas rodas dianteiras: é mais estável do que a frenagem nas
rodas traseiras e pode transmitir grandes valores de carga;
• Frenagem nas rodas traseiras: tende a ser mais instável do que a frenagem
nas rodas dianteiras.
Para calcular o valor da força de atrito, utiliza-se a expressão abaixo, que leva em conta em seu segundo termo (entre parênteses) o incremento de carga devido às forças de inércia [PETER].
⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = gL dh W F µ 1 4
Na equação acima, a variável W representa a força normal no disco, L a base da roda, h a distância do centro de gravidade do carro ao chão, d a desaceleração do veículo e g a aceleração da gravidade. O sinal da expressão é negativo para frenagem em rodas traseiras, e positivo para frenagem em rodas dianteiras.
Materiais usados na produção de freios devem operar em um valor moderadamente alto e uniforme de coeficiente de atrito durante a frenagem [PETER].
Tipicamente os fabricantes de freio utilizam-se de aproximadamente 10 a 50% de estruturas cerâmicas na composição das pastilhas. Incluem-se como exemplo de cerâmica a alumina e a sílica. Alguns modificadores de atrito como o bismuto e o molibdênio (absorvedor de oxigênio) são usados para formar filmes nas superfícies dos freios, desta forma, o atrito pode ser controlado [PETER].
Figura 3.1.6 – Variação do Coeficiente de Atrito Enquanto se Freia com Pressão de Contato e Velocidade de Deslizamento
A respeito da relação entre a pressão de contato do conjunto pastilha e disco de freio e do coeficiente de atrito, temos que o comportamento é descrito pelo gráfico da figura 3.1.7. Nele se observa uma queda
no valor do coeficiente segundo um aumento da pressão de contato [PETER]. As diversas composições existentes promovem diferentes comportamentos dos materiais com relação ao coeficiente de atrito. Efeitos comparativos da composição de silício e alumínio são mostrados no gráfico da figura 3.1.8 [PETER].
3.1.3. Materiais para Construção de Pastilhas de Freio
Pastilhas de freio usualmente são feitas de materiais compósitos, conforme mencionado anteriormente. Nesta seção, serão detalhados os diferentes materiais que podem ser usados para confecção dessas importantes peças de frenagem. O processo de fabricação é geralmente a compactação a quente, e são utilizados de 10 a 20 componentes diferentes. É necessário que se tenha os seguintes componentes [ERIKSSON, 2002]:
Figura 3.1.7 – Efeito da pressão de contato no atrito de um freio de material compósito [PETER].
Figura 3.1.8 – Efeitos no coeficiente de atrito provocados pela adição de silício e alumínio em
material para freio prensado e sinterizado [PETER].
• Aglutinante: responsável por manter a estrutura unida formando uma matriz
termicamente estável. Geralmente são usadas resinas fenólicas termofixas. A adição de borracha promove um maior umedecimento da matriz [ERIKSSON, 2002].
• Materiais Estruturais: promovem resistência mecânica. Podem ser usados
metais, carbono, vidro e/ou fibras de kevlar. Raramente são usados outros materiais [ERIKSSON, 2002].
• Enchimento: provem uma facilidade para a manufatura e preenchem espaço
sem altos custos. Podem ser utilizados, por exemplo, mica, vermiculita ou sulfato de bário [ERIKSSON, 2002].
• Aditivos para atrito: são utilizados alguns materiais para promover melhor
condição de atrito na interface pastilha-disco. Lubrificantes sólidos como o grafite são utilizados para promover uma estabilidade do coeficiente de atrito em altas temperaturas. Partículas abrasivas como silício e alumínio também ajudam a aumentar o coeficiente de atrito. A adição do silício ainda promove uma superfície de contato mais aderente, pois remove óxidos e outros filmes de superfície do disco [ERIKSSON, 2002].
A respeito do material para fabricar um disco de freio, o ferro fundido cinzento representa a melhor das opções. Com uma composição de 3 a 4 % de carbono, possui grafita livre na forma de veios em uma matriz perlítica. Possui boas propriedades para dissipação térmica, satisfatória resistência ao desgaste, resistência mecânica suficiente, é barato e relativamente fácil de se fabricar por fundição [ERIKSSON, 2002].
3.2. Propriedades Térmicas
Veículos em movimento possuem uma quantidade de energia cinética proporcional à sua massa e velocidade. Para parar um veículo em movimento, esta energia cinética deve ser transformada em outra forma de energia, no caso dos freios hidráulicos, em calor. Um carro pesando 1500 kg, por exemplo, converterá em torno de 240 kW de energia cinética em calor quando a frenagem vai de 145 km/h até a parada total do
veículo em poucos segundos. Esta grande quantidade de energia gerada na forma do calor pode significar, em um curto período de tempo, que o disco de freio possa atingir temperaturas de até 900ºC, o que pode resultar em um enorme gradiente de temperatura existente entre o centro e a superfície do disco [MACNAUGHTAN, 1998].
Naturalmente, o material do disco de freio deve ser capaz de resistir às altas tensões térmicas envolvidas durante os repetitivos ciclos térmicos no decorrer do uso e a energia térmica gerada deve ser dissipada o mais rápido possível [MACNAUGHTAN, 1998].
O calor gerado pelo atrito em dispositivos como freios e embreagens induz deformações térmicas, que associadas às deformações causadas pelas tensões existentes durante o deslizamento entre pastilha e disco de freio, podem levar ao desenvolvimento de áreas de contato localizadas e de zonas de altas temperaturas conhecidas como “hot spots”. “Hot spots” são áreas com grandes gradientes de temperatura na superfície de contato. A existência dessas zonas é considerada um dos fenômenos mais perigosos e pode causar em um dispositivo (sistema de freio, por exemplo) fraturas prematuras, distorções permanentes além de outros danos, como vibrações. Foi mostrado que uma solicitação termomecânica associada a estes “hot spots” pode causar um ciclo de tensões de compressão e tração com variações de deformações plásticas, o que está diretamente relacionado com a formação de trincas [PANIER, 2004] [CHOI, 2004].
Foi proposta uma classificação para os tipos de “hot spots” observados experimentalmente em discos de freios (ilustrados na figura 3.2.1):
• Resulta de contatos discretos de asperezas. A temperatura sobe rapidamente, mas pouco, em pequenas áreas da superfície de contato (1).
• Gradientes de bandas quentes correspondem a pequenas regiões de contato
que aparecem ao longo de um caminho ímpar (2).
• Bandas quentes na direção radial aparecem como áreas reduzidas de
estreitos de altas temperaturas na direção do deslizamento. Elas podem se mover ao longo da direção radial durante a frenagem (3).
• “Hot spots” macroscópicos (MHS) são grandes gradientes de temperatura
distribuídos regularmente na superfície do disco. Este fenômeno reduz drasticamente a área da superfície de contato com altas temperaturas locais (4).
• “Hot spots” com pequenos gradientes de temperatura distribuídos ao longo
de toda a superfície de disco, associados a um resfriamento não homogêneo. Tal distribuição aparece no final de frenagens associadas à difusão térmica (5).
Os gradientes de temperatura mais perigosos para a estrutura de um disco de freio são aquelas mostradas na Figura 3.2.1 (2), (3) e (4).
O tipo (2) apresenta instabilidade termoelástica (TEI), que se baseia na teoria da variação do atrito de contato devido a interações entre expansões térmicas, aquecimento por atrito, condução de calor para fora da zona de alta temperatura e desgaste. De acordo com a teoria da TEI os “hot spots” aparecem somente a uma velocidade de deslizamento crítica que depende das propriedades térmicas do material.
O tipo (3) ocorre por uma redução da área de contato da pastilha com o disco, causado por distorções térmicas dos componentes, desgaste da pastilha e o comportamento termomecânico dos materiais.
O tipo (4) apresenta grandes gradientes de temperatura, comumente considerados os principais mecanismos de falha do disco. Mostra-se que os MHS são encontrados em ambos os lados do disco na direção de deslizamento. A anti-simetria dos MHS e os níveis de temperatura neles encontrados indicam uma deformação circunferencial
Figura 3.2.1 – Ilustração da distribuição de temperaturas feita com uma câmera de raios infra-vermelhos.
com deformação plástica e transformações locais na estrutura cristalina do metal [PANIER, 2004].
Reduzir a diferença de temperatura entre a superfície e o interior do disco, é, em primeira instância, um método eficaz para a prevenção do surgimento de trincas na superfície. A condutividade térmica é propriedade fundamental para a redução do gradiente de temperatura. O aumento das tensões de resistência e fadiga do material também seria uma alternativa possível [JIMBO, 1990] [MACKIN, 2002].
Entretanto, alta condutividade térmica não necessariamente implica em uma melhoria na resistência à formação de trincas do material. Ela serve somente para atenuar a carga térmica no disco de freio. Além do mais, até mesmo se o material reduzir o gradiente de temperatura nos primeiros estágios de frenagem, o efeito desejado de conter a formação de trinca não necessariamente será obtido, a não ser que a resistência térmica do material seja melhorada. Ou seja, nada adianta reduzir o gradiente de temperatura se a energia térmica existente no disco de freio não for dissipada ao longo do tempo, uma vez que caso o disco esteja a temperaturas muito elevadas, sua resistência térmica não será capaz de conter a formação de trincas [JIMBO, 1990] [VOLLER, 2003].
Em uma simples frenagem, virtualmente toda a energia é absorvida pelo disco e pela pastilha e o curto espaço de tempo não permite uma dissipação significante. A capacidade térmica do disco deve ser suficiente para garantir a aceitação da ascensão da temperatura, mantendo o freio a temperaturas seguras de operação. Já em aplicações repetidas de frenagem, com foi dito no parágrafo acima, o disco deve ser capaz de dissipar o calor gerado, caso contrário a integridade da estrutura do disco estará comprometida [VOLLER, 2003].
A convecção é considerada o modo mais importante de transferência de calor, dissipando a maior parte do calor gerado para o ar na maioria dos veículos em operação. Porém, a radiação contribui significantemente para a dissipação de calor em altas temperaturas [VOLLER, 2003].
A montagem do sistema de freio fornece duas áreas de dissipação de calor por condução (em carros de passeio), uma para o eixo, e outra para a roda. A transferência de calor para o eixo deve ser evitada para garantir que a temperatura no eixo se mantenha baixa. A roda está em contato direto com o ar ambiente, que é
turbulento quando o carro está em movimento, o que sugere que a roda pode oferecer um potencial substancial de dissipação de calor. É importante considerar a temperatura do pneu, uma vez que seu superaquecimento pode levar a condições de operação muito perigosas, que, obviamente, devem ser evitadas [VOLLER, 2003]. Voller et al. estudou
a dissipação de calor em um sistema de freio por convecção, radiação e condução. A Figura 3.2.2 mostra curvas experimen-tais de resfriamento
para o disco com e sem a roda, inicialmente a 140ºC, para 150 e 450 rpm, que correspondem às condições de operação de veículos comerciais. O gráfico comprova a teoria de que a convecção depende diretamente da velocidade com que o fluido escoa na superfície do disco e, como esperado, o resfriamento é muito maior para 450 rpm. O calor dissipado por radiação é independente da velocidade de rotação da roda, porém, é fortemente influenciado pela temperatura (quarta potência) e pela emissividade (dependência
linear). A Figura 3.2.3 mostra um gráfico do coeficiente de transferência de calor por radiação em função da temperatura para diversos valores de emissividade. É importante notar como o coeficiente
passa a ser significante para altas temperaturas.
Pode-se mostrar a contribuição individual de cada uma das três formas de dissipação de calor já citadas e compará-las, como mostrado na Figura 3.2.4, para um ensaio onde a temperatura superficial era de 600ºC e a 150 rpm para um sistema de freio de
Figura 3.2.2 – Curva de resfriamento por convecção. [VOLLER]
Figura 3.2.3 – Coeficiente de transferência de calor por radiação varia com a temperatura. [VOLLER, 2003]
um veículo comercial. O resultado mostra que o total de calor dissipado é aproximadamente: condução 2,0 kW (18%), convecção 4,5 kW (39%), e radiação 5,0 kW (43%). É interessante notar que mais calor é dissipado por radiação do que por convecção. Se mudarmos
as condições do ensaio para 40 rpm, a convecção contribuirá apenas com 18% do total dissipado. Entretanto, se for adotado 450 rpm, a convecção assume a condição de principal dissipador de calor com 57% [VOLLER, 2003].
Muitos discos de freio possuem uma geometria que favorece a circulação do ar na superfície para aumentar a dissipação de calor por convecção, como mostrado na Figura 3.2.5. É importante notar que para que um disco de freio não sofra danos causados por altas temperaturas, não basta somente ter boa condutividade térmica ou resistência térmica. O calor armazenado no disco deve ser eliminado, sendo então a geometria e o projeto do disco importantíssimos.
Figura 3.2.4 – Dissipação de calor por cada um dos modos de transferência de calor a 600ºC. [VOLLER, 2003]
Figura 3.2.5 – Exemplos da construção de diferentes discos de freio: (a) Porsche Carrera, (b) Moto BMW, (c) Ferrari F250.
3.3. Resistência ao Desgaste
Um dos pontos mais importantes a serem estudados para a escolha efetiva do material usado em um disco de freio é, sem dúvida nenhuma, a sua resistência ao desgaste. Inúmeros fatores devem ser abordados para o estudo completo da resistência ao desgaste como o atrito e condutividade térmica, pois estão intimamente relacionados ao tópico em questão, uma vez que o material pode ter suas propriedades alteradas em função desses parâmetros. Outros fatores que podem influenciar serão estudados nas seções subseqüentes.
Historicamente, os trabalhos que vêm sendo realizados sobre o atrito, procuram explicar o processo de desgaste dos materiais e os mecanismos envolvidos nesse fenômeno. Primeiramente é necessário que se saiba o que se está querendo dizer ao mencionar a palavra desgaste. Segundo a norma DIN 50320, nos processos de desgaste estão envolvidos basicamente quarto mecanismos de desgaste, ou uma combinação desses mecanismos. São eles:
• Adesão: formação e o posterior rompimento de ligações adesivas
interfaciais. Ex: juntas soldadas a frio.
• Abrasão: remoção do material por sulcamento.
• Fadiga superficial: fadiga mecânica e a conseqüente formação de trincas
na superfície, devido às tensões cíclicas tribológicas.
• Reação triboquímica: formação de produtos das reações químicas que
podem ocorrer entre os elementos de um tribossistema, que tem início por uma ação tribológica.
Um tipo de desgaste que pode ocorrer é o chamado desgaste oxidativo. É possível inferir que o atrito causado pelo contato de duas superfícies que deslizam uma sobre a outra, gera picos de temperatura, estritamente ligadas ao valor da velocidade
Figura 3.3.1 – a) Formação de ilhas de oxido; b) e c) crescimento das ilhas; d)
destruição das camadas oxidadas e formação de novas ilhas [CUEVA, 2002]
relativa das superfícies para alguns pontos. Isso pode levar a formação de ilhas ou “plateaus” de óxido, que acabam formando uma camada protetora que reduz o contato metal-metal. A elevada pressão de contato entre essas novas superfícies irregulares provoca o trincamento das ilhas, o que leva a formação de partículas de desgaste (“debris”) não metálicas. Estando o sistema em uma atmosfera de oxigênio, essas partículas serão formadas basicamente de vários tipos de óxidos, cuja formação depende da temperatura em questão. A baixas temperaturas, a oxidação ocorrerá apenas no contato entre as asperezas das superfícies, enquanto que a altas temperaturas, ela pode ocorrer na superfície toda, inclusive fora da área de contato. Um outro processo é o desgaste abrasivo, que ocorre pelo deslocamento de material provocado pela ação de partículas duras, que estão alojadas entre duas superfícies que estão em movimento relativo. Também
pode ocorrer por causa de partículas duras que estejam alojados em uma das superfícies. Resíduos de produtos usados na fabricação do material,
fragmentos de desgaste encruados ou partículas estranhas que entram no tribossistema, são alguns dos motivos que justificam o aparecimento dessas partículas. No caso de se ter uma superfície mais dura do que a outra, pode-se verificar esse mesmo processo. O desgaste abrasivo ainda pode ser classificado em: sulcamento, corte, fadiga e trincamento.
Durante o processo de sulcamento, se for considerada apenas a passagem de uma partícula abrasiva, esta não provoca a remoção de material da superfície que vai ser desgastada (não há perda de massa). Uma proa é formada na frente dessa partícula, obrigando o material a se deslocar para os lados, formando os chamados sulcos. Mas a ação de várias partículas abrasivas que atuam de forma
simultânea e sucessiva nessa superfície, acaba por deslocar o material das bordas de
Figura 3.3.2 – a) Desgaste abrasivo a dois corpos; b) Desgaste a três corpos [CUEVA, 2002]
Figura 3.3.3 – Interações físicas entre as partículas abrasivas e as superfícies dos materiais [CUEVA,
um lado para o outro, podendo provocar o destacamento de uma lasca pelo processo caracterizado como fadiga de baixo ciclo.
Já no mecanismo de corte, a perda de massa da superfície provocada pela ação de uma partícula dura, fica igual ao volume do sulco que foi deixado como marca do desgaste ocorrido.
Os mecanismos de corte e sulcamento são os predominantes no que se refere ao desgaste abrasivo de materiais dúcteis. A quantidade de material que é deslocado para os lados no sulcamento, ou que é retirado no corte, é proporcional ao ângulo de ataque da partícula abrasiva.
Figura 3.3.4 – Mudança do tipo de mecanismo de desgaste e a taxa do desgaste em função do ângulo de ataque [CUEVA 2002]
Por último, o trincamento irá ocorrer quando as partículas duras concentrarem tensões maiores do que o limite de resistência na superfície dos materiais. Devido à formação e propagação das trincas, grandes “debris”
serão destacados da superfície.
O desgaste por fadiga superficial é o processo pelo qual se observa a formação de trincas e o posterior lascamento do material provocados pelo carregamento cíclico de superfícies sólidas. Nota-se a seguinte seqüência de processos: deformação elástica, deformação
plástica, encruamento, formação e propagação de trincas. Tensões cíclicas
Figura 3.3.5 – Formação de trinca propagando-se paralela à superfície
superficiais podem resultar do rolamento, deslizamento e impacto de sólidos relativos à superfície em questão, o que levará a fadiga da mesma. Durante o contato por deslizamento, os carregamentos e descarregamentos poderão induzir trincas na superfície ou abaixo dela. Esse carregamento cíclico será provocado pelas forças de atrito e normal, que atuam na área de contato. Por fim, assim que uma trinca atinge a superfície, as partículas de desgaste são geradas. Essas trincas estão representadas na figura 3.3.5.
O desgaste adesivo, de caráter químico, pode ocorrer no deslizamento de uma superfície sobre a outra. Na interação das asperezas das superfícies, forças atrativas nos pontos de contato são geradas, podendo ser das formas iônicas, covalentes, metálicas ou de Van der Waals. Sendo a área de contato nas asperezas muito pequena, localmente se desenvolvem altas pressões de contato que provocam a deformação plástica, adesão e a conseqüente formação de junções localizadas.
Com o deslizamento relativo entre as superfícies em contato, ocorre a ruptura dessas junções podendo, freqüentemente, ocorrer a transferência de material entre as
superfícies. Isso fica favorecido por diversos fatores externos como a composição química do material ou limpeza das superfícies, por exemplo. Os fragmentos de material que passam de uma superfície a outra podem se destacar novamente e voltar à superfície inicial ou se tornar resíduos de desgaste.
Segundo Welsh (1965), as características do processo de desgaste podem mudar intensamente quando as condições do contato sofrerem alterações. O autor mostra que a velocidade de deslizamento e a dureza do material provocam grandes variações na taxa de desgaste. Foi observado que quando a velocidade do deslizamento excede um valor crítico, a taxa de desgaste pode diminuir em até 600 vezes. As altas taxas de desgaste observadas por Welsh estão associadas à presença de fragmentos metálicos grandes, enquanto que as baixas taxas estariam relacionadas à oxidação superficial e a finos “debris” oxidados. As velocidades críticas podem ser determinadas segundo critérios apontados por Kragelskii & Shvetsova (1955).
3.3.1. O Desgaste em Discos de Freio
É sabido que os discos de freio são comumente feitos de ferro fundido. Os ensaios de discos que são feitos com ajuda de pinos (para simular o desgaste) são, em sua maioria, feitos apenas com variações desse tipo de material. Para esses casos, existem diferentes mecanismos de desgaste: abrasivos, adesivos e oxidativos.
Segundo Liu (1995), quando duas superfícies entram em contato num ambiente propenso à oxidação, ocorrem reações na superfície que acabam por gerar filmes de óxido, que acabam por serem removidos e recriados consecutivamente, e isso promove o desgaste oxidativo. No início, o desgaste se dará por adesão, mas com o passar do tempo, esses mesmos óxidos removidos passaram a ser detritos que causam o desgaste abrasivo.
Foi também observado por esse autor, que se o ferro fundido em questão tiver alta resistência à tração e alta dureza, de forma que acaba dificultando a adesão e o microcorte, o filme de óxido terá tempo suficiente para que atinja uma espessura crítica. Depois, devido às tensões, ele se destacará da superfície de contato, quebrando-se em forma de lascas ou “debris” que poderão atuar como partículas abrasivas. Assim, a oxidação irá elevar a taxa de desgaste do ferro fundido em uma atmosfera de condições normais. Para o caso de o ferro fundido ter baixa resistência à tração e baixa dureza, o desgaste vai ocorrer na forma de adesão e microcorte. Neste caso, a adesão será a principal causa de desgaste e os filmes de óxido serão benéficos, reduzindo a tendência à adesão.
Liu verificou que a resistência ao desgaste oxidativo dos ferros fundidos vermiculares é superior a dos ferros fundidos cinzentos, isso porque os ferros fundidos vermiculares geralmente apresentam maior resistência à tração e maior dureza. Dessa forma, o desgaste adesivo, que é mais forte que o oxidativo, acaba não sendo o mecanismo de desgaste predominante. Com relação à resistência ao desgaste, Zhang (1993) também afirma que a resistência ao desgaste por deslizamento de ferros fundidos com grafita vermicular é superior à de ferros fundidos cinzentos ou nodulares, independentemente da pressão de contacto ou velocidade de deslizamento. Isto se deve à excelente combinação de alta resistência mecânica e boa capacidade de transferência de calor que dá ao material uma boa resistência ao lascamento das superfícies por fadiga térmica [ZHANG, 1993]. Estudos de resistência ao desgaste
mostraram que em ensaios tipo pino no disco, a resistência ao desgaste do ferro fundido com grafita vermicular, pode ser superior a alguns ferros fundidos cinzentos comumente usados em discos de freio. Uma das desvantagens observadas no ferro fundido vermicular foi as altas temperaturas atingidas durante os testes, cerca de 45% maiores que as temperaturas alcançadas pelos ferros fundidos cinzentos [CUEVA, 2000].
O desgaste no disco de freio, também deverá ser causado pela pastilha escolhida e por outros vários fatores externos. Podem ser colocadas proteções a esses fatores, porém quando em excesso, a proteção poderá comprometer a taxa de resfriamento dos componentes ou reter detritos de desgaste, o que provocaria um maior desgaste no disco.
3.3.2. Ensaio do Desgaste em Discos de Freio
Cueva realizou ensaios de discos de freio de diferentes materiais para estudar o comportamento de um disco submetido à frenagem. A pressão que um disco de freio pode receber varia entre 2 e 4 Mpa, segundo Epósito e Thrower (1991). Para o ensaio realizado, foram estudados um ferro fundido com grafita vermicular (Vermic) e três ferros fundidos cinzentos: um denominado Fe250, um de alto teor carbono (FeAC) e outro ligado com Ti (FeTi). Os ensaios de desgaste foram feitos numa máquina de ensaios de desgaste tipo pino no disco, acoplado a um computador, Marca Plint, com sistema pneumático de aplicação de carga e capacidade máxima de 1000 N. Na figura mais abaixo são mostrados esquematicamente
a máquina e seus acessórios. Os pinos foram fabricados a partir de pastilhas de freio que equipam os caminhões Sprinter da Mercedes Benz, com base quadrada (Área = 144 mm2) e acabamento superficial em lixa 400. Os discos de ferro fundido foram fabricados com 70 mm de diâmetro, 7 mm de espessura e acabamento superficial de 1 m.
Os ensaios de desgaste foram realizados da seguinte maneira: enquanto o disco girava a
Figura 3.3.6 – Representação da máquina de ensaio dos discos.
500 rpm foi submetido a uma pressão cíclica de frenagem de 4 MPa. O ciclo total de frenagem foi de 4 min sendo que durante 1 min foi aplicada a pressão de frenagem e nos 3 min restantes o disco girou descarregado. Durante os ciclos de frenagem o sistema pino – disco foi resfriado por convecção forçada através de um ventilador. O tempo total de ensaio foi de 20 horas, completando-se nesse intervalo 300 ciclos de frenagem (carregamento-descarregamento). O ensaio foi interrompido depois de 7 e 20 horas para serem realizadas medidas de perda de massa dos discos e dos pinos, usando-se uma balança Marca Scientech de 0,0001g de precisão. Durante os ciclos de frenagem foram determinados também, as temperaturas alcançadas pelos pinos e os discos através de termopares inseridos nos pinos. Foram registradas as forças normais e tangenciais e foi calculado o coeficiente de atrito. O desgaste dos discos e dos pinos foi calculado através da perda de massa acumulada durante os ciclos de frenagem dividida pela área de contato do pino.
O desgaste encontrado nos discos está representado na figura 3.3.7. O desgaste dos pinos também deve ser levado em consideração.
Observando os gráficos dos resultados, percebe-se que não ocorreu o esperado, em que o ferro fundido vermicular, que tem melhores propriedades mecânicas que os ferros fundidos cinzentos, apresentaria também as melhores propriedades de resistência ao desgaste. A razão para este acontecimento pode estar relacionada com o menor teor de grafita que possui, que faz com que as camadas de grafita lubrificantes sejam mais finas ou descontínuas, deixando a matriz mais exposta ao processo de desgaste, promovendo maiores perdas de massa. Além disso, a ferrita presente na microestrutura, de dureza menor, seria rapidamente arrancada da superfície dos
Figura 3.3.7 – Desgaste dos discos com relação
discos, devido às altas forças de atrito atuantes, facilitada ainda pelas elevadas temperaturas e a lenta dissipação de calor.
Por fim, observou-se também que os pinos se desgastaram relativamente da mesma forma que os diferentes discos ensaiados, ou seja, o material que teve o menor desgaste também teve o pino com menor desgaste no ensaio.
Ao final dos ensaios de desgaste, observou-se as superfícies dos discos. Algumas das características das superfícies ao final do processo, estão caracterizadas a baixo.
Figura 3.3.9 – Detritos do pino (pastilha) aderidos à superfície desgastada [CUEVA,
2000].
Figura 3.3.10 – As lamelas de grafita funcionam como depósitos de detritos, onde o
acúmulo destes forma camadas que servem como lubrificante, protegendo as superfícies do
desgaste [CUEVA, 2000].
Figura 3.3.11 – Riscos mais profundos nas superfícies desgastadas, devidos ao desgaste abrasivo. As lamelas de
grafita podem ser cobertas pela matriz metálica que se deforma plasticamente [CUEVA, 2000].
3.4 Vibrações
Os primeiros estudos sobre vibrações de freios datam de
1935, baseados em
formulações matemáticas e alguns dados experimentais. No caso, sugeria-se que o fenômeno de vibração estava diretamente relacionado com o coeficiente de atrito decrescente à medida que se aumenta a velocidade entre as duas superfícies em contato. Alguns dados posteriores, como holografias e análises por
elementos finitos, forneceram uma descrição mais detalhada sobre o comportamento vibratório de cada componente do mecanismo. Isso mostrou que as vibrações ocorridas no sistema de freio são resultados de uma interação de diversos fatores: a variação do coeficiente de atrito como uma função da velocidade relativa entre as superfícies de contato (no caso de freio a disco ou tambor) e da temperatura; as massas de cada componente; as molas equivalentes e os amortecedores que compõem o determinado mecanismo [ORTHWEIN, 1986].
As causas da vibração são costumeiramente classificadas em três tipos. O primeiro trata-se de vibrações forçadas, como um impulso, podendo ser causada por lombadas ou qualquer outro tipo de fenômeno semelhante nas rodas. O segundo tipo constitui-se de vibrações causadas pelas características de atrito entre os materiais do freio em contato, no caso, o disco e a pastilha. Por último, temos as vibrações causadas pela ressonância dos componentes de freio, que, no caso, resulta em ruídos agudos e estridentes que podem ser ouvidos [JACOBSSON, 2003].
Como conseqüência das vibrações do disco na estrutura do sistema, podemos ter um maior desgaste do material devido à fadiga. Em casos de ressonância, o efeito é
Figura 3.4.1 – Holografia de um sistema de freios. No caso, o rotor estava em uma rotação de 10rpm, a vibração
na superfície do rotor possui 8 diâmetros nodais e a freqüência de vibração registrada é de 10750 Hz.
perceptível na forma de ruídos. Assim, deve-se evitar, principalmente, as vibrações de maior amplitude e maior freqüência.
Contudo, o campo das vibrações do sistema de freio ainda é muito indefinido e confuso, havendo divergências entre inúmeros modelos teóricos e experimentais propostos. É necessária muita pesquisa para se obter resultados mais concretos [JACOBSSON, 2003].
3.5 Ruído
O ruído pode ser classificado simplesmente como sendo uma vibração cuja freqüência é auditiva. Pelo fato de que a energia dissipada pelo som é geralmente muito pequena, mecanicamente os efeitos do ruído na estrutura do freio possuem pouca importância, mas no que diz respeito à comodidade e conforto dos usuários estes assumem um valor relevante. Na verdade, quase
toda a energia dissipada por um sistema de freios se dá na forma de calor.
Nenhum ruído é gerado quando o coeficiente de atrito está abaixo de um certo valor crítico limite (“squeal threshold”). O nível do limite depende da arquitetura do sistema de freio, de seus parâmetros, dos materiais utilizados e de suas características de atrito. Acima desse valor, entretanto, a geração de ruído não é certa. Com uma série de condições iniciais, existe apenas uma probabilidade de ocorrer ruído auditível. Apenas abaixo do valor crítico é que essa probabilidade é nula.
Os ruídos de um sistema de freio podem ser descritos como um som irritante cuja freqüência principal varia de 1 a 20 kHz. Isso acontece em baixas velocidades do veículo (abaixo de 30 km/h) e baixas pressões de freio (abaixo de 20 bar).
Figura 3.5.1 – Foto de um equipamento de teste.
Figura 3.5.2 – Resultado demonstrativo de um teste de ruído. Ruídos são registrados ao final do acionamento do freio, no
Visando conhecer o nível de ruído que o freio está emitindo, é possível realizar um teste de ruído. Nesse teste um dinamômetro é conectado no disco de freio através do eixo, sendo capaz de fornecer as ressonâncias de vibração. Durante o teste, as pressões de freio, o torque, as temperaturas, a intensidade do som e a umidade relativa do ar são registrados. Mesmo assim, tratando-se de um estudo de ruídos de freio, a geometria e a escala dos modelos são de suma importância. Uma miniatura de freio nunca dará as mesmas freqüências de ressonância do que um componente real.
Apesar de muito tempo de desenvolvimento dos sistemas de freios, o ruído emitido pelo disco de freio continua como um grande problema a ser solucionado. Mas não se pode dizer que não houve progresso nessa área. Muitos estudos experimentais e analíticos têm contribuído para uma diminuição do ruído emitido.
3.6 Resistência Térmica e Mecânica
O sistema de freio tem como função reduzir a velocidade de um veículo ou mantê-la quando este está em um declive, portanto, sem o freio não se consegue controlar o veículo. Daí sua extrema importância.
Na verdade, o que o sistema de freio faz é, numa frenagem, transformar a energia cinética do automóvel em energia térmica (ou de superfície pelo desgaste dos componentes do freio), diminuindo assim sua
velocidade. Durante esse processo, o disco de freio está sujeito a elevados gradientes térmicos (Fig 3.6.1) e a elevadas temperaturas (Fig 3.6.2), o que pode desencadear um processo de fadiga térmica [HOHMANN et al., 1999].
Figura 3.6.1 – Distribuição de temperaturas no disco no tempo [Angus, 1966].
Figura 3.6.2 – Disco de freio em processo de dissipação de energia por irradiação decorrente das
