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EFICIÊNCIA DE FRENAGEM E A NECESSIDADE DO ABS (ANTILOCK BRAKING SYSTEM) NA REDUÇÃO DA PROBABILIDADE DA OCORRÊNCIA DE ACIDENTES DE TRÂNSITO

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EFICIÊNCIA DE FRENAGEM E A NECESSIDADE

DO ABS (ANTILOCK BRAKING SYSTEM)

NA REDUÇÃO DA PROBABILIDADE DA

OCORRÊNCIA DE ACIDENTES DE TRÂNSITO

Antonio Carlos Canale

Gustavo dos Santos Gioria

Departamento de Engenharia de Materiais, Aeronáutica e Automobilística, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo

Carlo Gibran

Geraldo Gardinalli

Bosch do Brasil

Resumo

Este trabalho busca evidenciar a necessidade do uso do ABS (Antilock Braking System) através de estudos relacionados à eficiência de frenagem e ao travamento de rodas. A partir de distribuições probabilísticas de demanda de aderência de um veículo de passeio e de distribuições de probabilidade da disponibilidade de aderência em pista molhada e em pista seca, estima-se a probabilidade de ocorrer travamento da roda do veículo, fato diretamente relacionado com a ocorrência de acidentes de trânsito. Os resultados baseiam-se nos requisitos da norma NBR 14354, transformados em eficiência de frenagem mínima para uma dada aderência disponível. As estimativas são apresentadas na forma de gráficos com estimativas de número de acionamentos do freio de serviço para a ocorrência de um travamento de roda, estimativas de milhas rodadas para a ocorrência de um travamento de roda e estimativas de anos para a ocorrência de travamento de roda, tanto para pista molhada quanto para pista seca. A partir destes resultados, discute-se o ganho de desempenho obtido caso o sistema de freio fosse ideal, perfeitamente balanceado, e então se conclui que mesmo assim o ABS é um mecanismo essencial na prevenção de acidentes de trânsito.

Palavras-chave: eficiência de frenagem, segurança veicular, acidentes de trânsito, ABS.

Introdução

Acidentes de trânsito causaram mais de um milhão de óbitos em 1999, segundo o Banco Mundial. O Ministério da Saúde contabiliza cerca de 30 mil mortes por ano causadas por acidentes de trânsito. Ao comparar a situação brasileira com países desenvolvidos, nota-se claramente a seriedade da situação: enquanto no Brasil a taxa é de 6,8 mortes por 10 mil veículos, países como a Alemanha e os Estados Unidos têm taxas iguais a 1,46 e 1,93 morte por 10 mil veículos, respectivamente. Como se não bastassem as mortes, ainda se tem o custo associado aos acidentes de trânsito. Em um estudo de 2003 realizado pelo IPEA (2003), calculou-se um custo da ordem de R$ 5,3 bilhões associado a acidentes de trânsito ocorridos em aglomerações urbanas. Em outro estudo, também realizado pelo IPEA (IPEA, 2006), avaliando o custo associado a acidentes de trânsito,

mas agora nas rodovias brasileiras, calculou-se um valor de R$ 22 bilhões, o que representa 1,2% do PIB brasileiro. O Quadro 1 expõe a taxa de mortes por 10 mil veículos e a taxa de instalação do ABS.

Quadro 1 Comparação das taxas de mortes por

10 mil veículos entre países com diferentes taxas de instalação de ABS (Bosch Live, 2006).

Alemanha Brasil Estados Unidos

Mortes/10

mil veículos 1,46 6,80 1,93 Instalação

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O uso do ABS, como um meio de prevenção de acidentes e de diminuição da sua gravidade quando inevitável, poderia melhorar o posicionamento do Brasil no Quadro 1 com relação aos outros dois países desenvolvidos.

O ABS é um sistema que modula a pressão hidráulica ou pneumática aplicada ao freio de serviço para impedir o travamento (escorregamento) dos pneumáticos em contato com o pavimento. Isto proporciona estabilidade direcional e dirigibilidade durante a frenagem, tanto na reta quanto na curva, em qualquer condição operacional do veículo e em qualquer condição da pista.

Vários estudos relacionam o travamento das rodas com a ocorrência de acidentes, tais como o estudo da Association of German Insurance Business, citado por Gardinalli (2005), que mostra que 25% dos acidentes nas estradas alemãs apresentaram travamento de rodas na frenagem e que em 40% de todos os acidentes com vítimas fatais ocorreu travamento de rodas.

Erwin & Winkler (1998) apresentam uma relação interessante entre a freqüência de travamento de roda e a eficiência de frenagem, na qual se nota um decréscimo exponencial da ocorrência de travamentos por ano conforme se aumenta a eficiência de frenagem.

A eficiência de frenagem pode ser definida como a razão entre a desaceleração máxima alcançada com

estabilidade e controle do veículo e a desaceleração obtida quando todas as rodas do veículo freiam com a máxima aderência disponível entre pneus e pavimento. A eficiência de frenagem é influenciada por vários fatores, como o carregamento do veículo, ou melhor, o peso nos eixos e a distribuição de pressão hidráulica ou pneumática no sistema de freio de serviço, que gera a força de frenagem aplicada às rodas.

Canale et al. (2005) apresentam, em termos de eficiência de frenagem, os requisitos da norma NBR 14354 (ABNT, 1999), a qual se baseia na norma européia ECE R13. Pretende-se, partindo do trabalho desenvolvido por Canale et al. (2005), esclarecer ainda mais o que os requisitos da norma significam com relação à segurança e ao uso do ABS. Uma visão diferente será mostrada dos requisitos exigidos na NBR 14354 (ABNT, 1999), com o auxílio dos estudos estatísticos desenvolvidos por Erwin & Winkler (1998), tornando mais clara a importância da eficiência da frenagem para a segurança e a ação do ABS para obter a estabilidade direcional e o controle em frenagens de emergência1.

O Gráfico 1, originário da NBR 14354 (ABNT, 1999) e obtido de Canale et al. (2005), mostra o requisito principal para veículos da categoria M, que são veículos de passeio (automóveis) e ônibus.

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Número de travamentos por ano, pista molhada 50 60 70 80 90 100 Eficiência de frenagem (%) Freqüência de travamento 1 a cada 3,6 semanas 1,4 mês 2,4 meses 3,6 meses 6,5 meses 1,4 ano 3,6 anos 8,9 anos

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Como se observa no Gráfico 1, a norma NBR 14354 (ABNT, 1999) exige uma mínima eficiência de frenagem para uma determinada aderência disponível na via por onde o veículo trafega. Nota-se também que para aderências menores, na faixa de 0,2 a 0,4, não se é tão rigoroso, permitindo-se até 50% de eficiência com uma aderência disponível de 0,2. O próprio trabalho desenvolvido por Canale et al. (2005) indica que o uso do ABS deve contribuir para o aumento da segurança veicular principalmente na faixa de aderência baixa (menor que 0,4), em que a eficiência mínima exigida pela NBR 14354 (ABNT, 1999) é baixa. O requisito de eficiência da NBR 14354 (ABNT, 1999) deve ter correlação com a probabilidade de ocorrência de frenagens com travamento no tempo (número de travamentos prováveis por ano), por milhagem rodada ou por número de acionamentos do freio de serviço.

Procedimento Experimental

O travamento da roda ocorre quando se aplica nela um torque de frenagem maior do que se pode transmitir no contato do pneumático com o pavimento com a roda rolando ou, em termos das grandezas que serão utilizadas neste trabalho, demanda-se uma aderência entre o pneumático e o pavimento maior do que o binário tem capacidade de fornecer.

A demanda de aderência para um veículo de passeio trafegando em vias públicas foi levantada em Carpenter (1956), Giles (1956), Krummer & Meyer (1968) e Mortimer (1970), comparadas entre si por Ervin & Winkler (1998), que concluíram haver uma convergência de resultados. O trabalho de Mortimer (1970) apresenta maior volume

de informações que os trabalhos dos demais pesquisadores e será utilizado no procedimento experimental (metodologia) deste estudo. Dados experimentais apresentados por Mortimer (1970), na realidade, são medições dos níveis de desaceleração do veículo trafegando em vias públicas, que Ervin & Winkler (1998) interpretaram como a demanda de aderência de um veículo que possui 100% de eficiência de frenagem tanto para pista molhada quanto seca. A demanda de aderência para um veículo de passeio trafegando em vias publicas com eficiência menor que 100% pode ser obtida corrigindo-se a partir da apresentada por Ervin & Winkler (1998).

A Figura 2 mostra a densidade de probabilidade da demanda de aderência calculada e corrigida para eficiências menores (90%, 80%, 70%, 60% e 50%).

Ervin & Winkler (1998) também revisaram trabalhos que tratavam da disponibilidade de aderência entre pneus e pavimentos de asfalto e concreto seco e molhado. Dos trabalhos revisados, somente o apresentado por Missouri State Highway Department (1973) media diretamente os picos de aderência longitudinal que resultavam em gráficos da densidade de probabilidade da disponibilidade de aderência. Estes gráficos, obtidos em Missouri State Highway Department (1973) e apresentados em Ervin & Winkler (1998), são reproduzidos nos Gráficos 2 e 3 a seguir.

Com os requisitos da norma apresentados no Gráfico 1, com a distribuição de probabilidade de demanda de aderência, a qual é calculada para cada valor de eficiência de frenagem, ilustrada na Figura 2, e com a distribuição de probabilidade de disponibilidade de aderência (Gráficos 2 e 3), inicia-se o procedimento de cálculo ilustrado na Figura 3. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Eficiência (%) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Aderência disponível

Gráfico 1 Requisito da norma NBR 14354 (ABNT, 1999) para veículos da categoria M

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Figura 2 Distribuição de probabilidade de demanda de aderência para diferentes valores de eficiência de frenagem. 5 4 3 2 1 0 Densidade de probabilidade 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Aderência demandada 100% 90% 80% 70% 60% 50%

Gráfico 2 Densidade de probabilidade de aderência disponível em pista de concreto molhado.

5 4 3 2 1 0 Densidade de probabilidade 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Aderência disponível

Gráfico 3 Densidade de probabilidade de aderência disponível em pista de concreto seco.

6 5 4 3 2 1 0 Dens idade de probab ili dade 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Aderência disponível

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Figura 3 Ilustração do procedimento de cálculo. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Eficiência (%) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Aderência disponível 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Densidade de probabilidade 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Aderência demandada 67,5% 5 4 3 2 1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Aderência disponível A P Densidade de probabilidade 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Aderência disponível Probabilidade de travamento

O procedimento de cálculo é mais facilmente entendido tomando um ponto como exemplo. Toma-se um ponto do Gráfico 1, no caso (0,4; 67,5%). Para este valor de eficiência, 67,5%, calcula-se a densidade de probabilidade de demanda de aderência, que é uma curva entre a de 60% e 70% da Figura 2. Desta curva se calcula a probabilidade de demandar uma aderência maior do que 0,4, denominada de A na Figura 3. Para cada caso, pista molhada e pista seca, obtém-se, dos respectivos gráficos de probabilidade de disponibilidade de aderência, a probabilidade de se encontrar na dada aderência com o veículo trafegando em vias públicas, representado por P na Figura 3.

Com os valores de A e P, calcula-se a probabilidade de travamento para a aderência 0,4. Este procedimento é então repetido para cada valor de aderência do Gráfico 1. O resultado é uma curva de probabilidade de se encontrar em uma pista com determinada aderência e demandar, na frenagem, uma aderência maior do que se tem disponível, provocando o travamento da roda. Isto com o veículo equipado com um sistema de freio cuja eficiência de frenagem é a mínima exigida por norma para a aderência disponível entre pneus e pavimento.

Resultados e Discussão

Com a estimativa da probabilidade de travamento calculada, obtém-se o Gráfico 4, que mostra a estimativa

do número de acionamentos do freio de serviço, com o veículo em uso normal em vias públicas, para que ocorra um travamento em pista molhada. Observa-se que, quanto menor a aderência disponível (a partir de aproximadamente 0,6), menor o número de acionamentos para se ter um travamento. Para aderências maiores do que 0,6, nota-se o efeito da probabilidade de se encontrar em uma dada aderência na pista molhada (Gráfico 2). A maior probabilidade é de encontrar uma aderência de 0,7 a 0,8; isto faz com que o número de acionamentos estimado diminua nesta faixa de aderência disponível.

O Gráfico 5 é semelhante ao Gráfico 4 para pista seca.

O Gráfico 6 compara as estimativas de acionamentos por travamento em pista molhada e em pista seca. Observa-se que a estimativa de acionamentos por travamento em pista seca é maior do que em pista molhada, o que induz a concluir que o ABS é utilizado mais vezes em pista molhada do que em pista seca.

Ervin & Winkler (1998), revisando os trabalhos de Carpenter (1956), Krummer & Meyer (1968) e Mortimer (1970), concluem que um motorista comum em um veículo de passeio, trafegando em vias públicas, aciona em média 1,5 vez o freio de serviço por milha rodada. Utilizando esta estimativa, pode-se transformar a estimativa de acionamentos por travamento em uma estimativa de milhas rodadas por travamento.

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10.000 9.000 8.000 7.000 6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0 Acionamentos por travamento 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 Aderência disponível

Gráfico 4 Estimativa de acionamentos por travamento em pista molhada.

140.000 120.000 100.000 80.000 60.000 40.000 20.000 0 Acionamentos por travamento 0,65 0,7 0,75 0,8 Aderência disponível

Gráfico 5 Estimativa de acionamentos por travamento em pista seca.

Acionamentos por travamento 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 Aderência disponível 140.000 120.000 100.000 80.000 60.000 40.000 20.000 0 Pista molhada Pista seca

Gráfico 6 Comparação entre as estimativas de acionamentos por travamento em pista

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Os gráficos na seqüência apresentam os valores estimados de milhas rodadas para se ter um travamento em pista molhada (Gráfico 7), em pista seca (Gráfico 8) e a comparação entre os dois casos (Gráfico 9).

Pode-se obter uma estimativa temporal dos travamentos de rodas, apresentados nos Gráficos 10, 11 e 12, utilizando a estimativa de que os veículos de passeio rodam em média 10.000 milhas por ano em vias públicas, como adotado também por Ervin & Winkler (1998). Os Gráficos 10, 11 e 12 foram obtidos considerando que os veículos trafegam, em vias públicas, 95% das milhas em pista seca e 5% em pista molhada, como indicado por Holbrook (1977) e citado por Ervin & Winkler (1998). Esta estimativa pode variar dependendo do país e região, o que pode alterar algumas estimativas e conclusões que ainda serão apresentadas.

O Gráfico 12 compara os Gráficos 10 e 11 indicando as estimativas de anos por travamento em pistas molhada e seca. Nota-se que o travamento de roda na condição de pista seca e molhada mais provável é mais freqüente em pista seca do que em pista molhada. Isto está coerente com o que mostra o Gráfico 6, por considerar a proporção de milhas rodadas entre pista molhada e seca.

Caso o veículo rode 20.000 milhas por ano, o dobro da estimativa utilizada, o número de anos esperado para que ocorra um travamento é dividido pela metade. Todos os resultados apresentados até o momento foram baseados no requisito mínimo de eficiência do freio de serviço exigido pela NBR 14354. No entanto, os veículos produzidos normalmente possuem eficiência maior, entre esta e 100%. Para ratificar a necessidade do ABS, fez-se também um estudo do benefício obtido com a melhora da eficiência de frenagem com veículos usando um EBD ideal (Electronic

Braking-force Distribution), 100% eficiente, que conseguiria levar todas as rodas do veículo ao limite de aderência ao mesmo tempo.

O Gráfico 13 apresenta faixas de nível de probabi-lidade de travamento em função da aderência disponível e da eficiência de frenagem. Nesse gráfico se observa grande redução na probabilidade de travamento com o aumento da eficiência, principalmente em baixas aderências. Para melhor visualização, apresenta-se também o mapeamento da probabilidade de travamento em função da aderência disponível e da eficiência de frenagem em pista molhada. É importante notar que o eixo da eficiência não é linear como no Gráfico 13. O eixo está deformado, de forma que a diagonal do gráfico de curvas de nível seja uma reta, cujos pontos (aderência disponível, eficiência) sejam os requisitos mínimos exigidos por norma. Isto facilita enxergar a origem das curvas anteriormente apresentadas. Por exemplo, o Gráfico 4 é o corte diagonal da superfície do Gráfico 14, como apresentado no Gráfico 15.

Os Gráficos 16 e 17 apresentam o intervalo em que os veículos certificados se encontram. A curva de linha contínua é a mesma anteriormente apresentada, refere-se à mínima eficiência exigida por norma para cada valor de aderência disponível, e a curva de linha tracejada apresenta o desempenho do veículo com 100% de eficiência em todas as condições de aderência. Por isso se conclui que os veículos fabricados de acordo com a norma possuem uma curva de desempenho situada entre as duas curvas dos gráficos. Destes gráficos pode-se também prever quando o ABS entraria em ação caso o veículo esteja equipado com um EBD ideal. O ABS entraria em funcionamento acima das curvas de linha tracejada. 7.000 6 5 4 3 2 1 0 .000 .000 .000 .000 .000 .000 Milhas por travamento 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 Aderência disponível

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10 9 8 70.000 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 0 0.000 0.000 0.000 Milhas por travamento 0,65 0,7 0,75 0,8 Aderência disponível

Gráfico 8 Estimativa de milhas rodadas por travamento em pista seca.

Milhas por travamento 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 Aderência disponível Pista molhada Pista seca 10 9 8 70.000 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 0 0.000 0.000 0.000

Gráfico 9 Comparação entre as estimativas de milhas rodadas por travamento em pista molhada e em pista seca.

14 12 10 8 6 4 2 0 Anos por travamento 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 Aderência disponível

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10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Anos por travamento 0,65 0,7 0,75 0,8 Aderência disponível

Gráfico 11 Estimativa de anos por travamento em pista seca.

14 12 10 8 6 4 2 0 Anos por travamento 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 Aderência disponível Pista molhada Pista seca

Gráfico 12 Comparação entre as estimativas de anos por travamento em pista molhada e em pista seca.

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76,25% 75% 73,33% 71% 67,50% Eficiência 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Aderência disponível 76,25% 75% 73,33% 71% 67,50% Efic iên cia 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Aderência disponível 10500-11000 10000-10500 9500-10000 9000-9500 8500-9000 8000-8500 7500-8000 7000-7500 6500-7000 6000-6500 5500-6000 5000-5500 4500-5000 4000-4500 3500-4000 3000-3500 2500-3000 2000-2500

Gráfico 14 Mapeamento de acionamentos por travamento em pista molhada.

Gráfico 15 Corte do mapeamento de acionamentos por travamento em pista

molhada para as mínimas condições exigidas por norma.

30.000 25 20 15 10 5 0 .000 .000 .000 .000 .000 Acionamentos por travamento 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 Aderência disponível

Mínima eficiência exigida por norma 100% de eficiência

Gráfico 16 Comparação de desempenho em pista molhada com a

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Os Gráficos 16 e 17 mostram que mesmo um veículo com 100% de eficiência pode travar as rodas em uma frenagem e perder a estabilidade e a dirigibilidade, sofrendo possivelmente um acidente.

Conclusão

O aumento da eficiência de frenagem, conseguida com balanceamento adequado das forças de frenagem nos eixos do veículo, diminui sensivelmente (relação exponencial) a probabilidade de ocorrência de travamentos das rodas, fazendo com que os pneumáticos escorreguem sobre o pavimento, o que geralmente leva o veículo à perda da estabilidade e/ou dirigibilidade, ocasionando incidentes ou mesmo acidentes graves. São metas, então, dos projetistas de veículos rodoviários obter alta eficiência do freio de serviço e atender aos requisitos exigidos por normas.

Observa-se neste estudo que mesmo veículos que atendam aos requisitos de norma ou que tenham alta eficiência do sistema de freios de serviço têm probabilidade significativa de frear e travar as rodas em pista molhada e também em pista seca. O uso do ABS é a forma de garantir, ao longo da vida útil de um veículo rodoviário, que frenagens não causem o travamento das rodas, evitando assim possíveis situações que levariam o veículo à perda da estabilidade direcional e/ou controle. O ABS pode também reduzir, em muitas situações operacionais do veículo, o espaço de parada durante frenagens de emergência, embora não seja este o seu objetivo.

O uso do ABS, principalmente em pista seca, pode preservar os pneumáticos, que seriam severamente

danificados em uma frenagem de emergência, com a presença do travamento das rodas e conseqüente escorregamento dos pneumáticos sobre o pavimento.

Agradecimentos

Bosch do Brasil, CNPq e IICT – Instituto Internacional de Ciência e Tecnologia.

Referências Bibliográficas

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0,65 0,7 0,75 0,8

Gráfico 17 Comparação de desempenho em pista seca com a mínima

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Referências

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