Sistema de freios - Anderson Glatz Ferreira

DEFINIÇÃO
O sistema de freios constitui uma das partes mais importantes e
vitais de um veículo, sendo projetado para dar o máximo de
rendimento com um mínimo de manutenção. Corretamente
conservado e ajustado, o sistema de freios proporciona ao
motorista a garantia de uma frenagem segura, sob as mais
diversas condições de tráfego.
No uso contínuo de um veículo, nenhum componente é tão
intensamente sujeito a esforços e altas temperaturas quanto o
sistema de freios, isto em decorrência das frenagens. Embora
sejam os componentes de um sistema de freios rigorosamente
projetados e fabricados, o uso contínuo dos freios durante um
período resultará em desgaste natural de alguns de seus
componentes.
Estes desgastes serão compensados por dispositivos automáticos
de ajustagem incorporados ao sistema de freio pelo fabricante.
Contudo, a necessidade de substituição de certos componentes
após determinado tempo de serviço deve ser prevista.
INTRODUÇÃO
Todos nós sabemos que pressionar o pedal de freio faz com que um
carro reduza progressivamente a velocidade. Mas como isso
acontece? Como o carro transmite a força do seu pé para as
rodas do veículo? Como multiplica a força de modo que seja
suficiente para parar algo tão grande quanto um carro?
DISPOSIÇÃO DE UM SISTEMA DE FREIO TÍPICO
Quando você pressiona o pedal de freio, seu carro transmite a força
de seu pé para seus freios por meio de um fluido. Como os freios
em si requerem uma força muito maior do que você poderia
aplicar com seu pé, seu carro precisa multiplicar a força do seu
pé. Ele faz isso de duas maneiras:
Vantagem mecânica (força de alavanca)
Multiplicação da força hidráulica
VANTAGEM MECÂNICA (FORÇA DE ALAVANCA)
Os freios transmitem a força aos pneus usando o atrito, e os pneus, por sua vez,
transmitem essa força à estrada usando também o atrito. Antes de começarmos
nossa discussão sobre os componentes do sistema de freio, vamos verificar
estes três princípios:
Força de alavanca
Hidráulica
Atrito
FORÇA DE ALAVANCA
O pedal é projetado de tal maneira que pode multiplicar a força da sua perna
diversas vezes antes mesmo que qualquer força seja transmitida ao fluido de
freio.
MULTIPLICAÇÃO DA FORÇA
Na figura acima, uma força F está sendo aplicada na extremidade
esquerda da alavanca. A extremidade esquerda da alavanca é
duas vezes mais longa (2X) que a extremidade direita (X).
Consequentemente, na extremidade direita da alavanca uma
força de 2F está disponível, mas age com a metade da distância
(Y) que a extremidade esquerda move (2Y). Mudar os
comprimentos relativos das extremidades esquerda e direita da
alavanca muda os multiplicadores.
SISTEMA HIDRÁULICO
A idéia básica por trás de qualquer sistema hidráulico é muito
simples: a força aplicada em um ponto é transmitida a um outro
ponto usando um fluido incompressível, quase sempre algum
tipo de óleo. A maioria dos sistemas de freio também multiplica
a força no processo. Aqui você pode ver o sistema hidráulico
mais simples possível:
SISTEMA HIDRÁULICO SIMPLES
Se você aplicar uma força descendente a um pistão , na seqüência
a força é transmitida ao segundo pistão através do óleo na
tubulação. Como o óleo é incompressível, a eficiência é muito
boa - quase toda a força aplicada aparece no segundo pistão. O
mais interessante sobre os sistemas hidráulicos é que a
tubulação que conecta os dois cilindros pode ser de qualquer
comprimento e forma, permitindo que serpenteiem todos os
tipos de obstáculos que separam os dois pistões. A tubulação
também pode se bifurcar, de modo que um cilindro mestre possa
guiar mais de um cilindro escravo se desejado.
CILINDRO MESTRE COM DOIS ESCRAVOS
Outro ponto atraente sobre um sistema hidráulico é que ele faz a
multiplicação (ou a divisão) da força de maneira
consideravelmente fácil. Você já sabe que a troca de força por
distância é bem comum em sistemas mecânicos. Em um
sistema hidráulico, tudo o que você tem que fazer é mudar o
tamanho de um pistão e cilindro relativo ao outro.
MULTIPLICAÇÃO HIDRÁULICA
Para determinar o fator da multiplicação na figura acima, comece
observando o tamanho dos pistões.
Suponha que o pistão à esquerda tem 5,08 cm (2 polegadas) de diâmetro
(rádio de 1 polegada / 2,54 cm), enquanto o pistão à direita possui
15,24 cm (6 polegadas) de diâmetro (raio de 7,62 cm / 3 polegadas). A
área dos dois pistões é Pi * r2.
A área do pistão esquerdo é, conseqüentemente, de 3,14, enquanto que a
área do pistão direito é de 28,26.
O pistão à direita é nove vezes maior do que o pistão à esquerda. Isto
significa que qualquer força aplicada ao pistão esquerdo será nove
vezes maior no pistão direito.
Assim, se você aplicar uma força descendente de 100 libras ao pistão
esquerdo, uma força ascendente de 900 libras aparecerá na direita. A
única coisa é que você terá que comprimir o pistão esquerdo em 22,86
cm (9 polegadas) para levantar 2,54 cm (1 polegada) no pistão direito.
ATRITO
O atrito é uma medida que reflete a dificuldade de se deslizar um
objeto sobre outro. Observe a figura abaixo. Ambos os blocos são
feitos do mesmo material, mas um é mais pesado. Acho que
todos já sabemos qual bloco será mais difícil para a escavadora
empurrar.
FORÇA DE ATRITO X PESO
Para compreender o porquê disso, observemos um dos blocos e a tabela mais de
perto:
ATRITO EM NÍVEL MICROSCÓPICO
Mesmo que os blocos pareçam lisos a olho nú, são na verdade,
consideravelmente ásperos em nível microscópico. Quando você
ajusta o bloco para baixo na tabela, os pequenos picos e vales
começam a se espremer entre si e alguns deles podem na
verdade acabar soldados um ao outro. O peso do bloco mais
pesado faz com que ele se esprema ainda mais, tornando o
deslize ainda mais difícil.
Diferentes materiais têm estruturas microscópicas diferentes; por
exemplo, é mais difícil deslizar borracha em contato com
borracha do que deslizar aço contra aço. O tipo de material
determina o coeficiente de atrito, coeficiente de força necessário
para fazer deslizar um bloco sobre o peso desse bloco. Se o
coeficiente em nosso exemplo fosse 1,0 então seria necessária
uma força de 45 kg (100 libras) para fazer deslizar o bloco de 45
kg ou de 180 kg (400 libras) para fazer deslizar o bloco de 180
kg. Se o coeficiente fosse 0,1, então seriam necessários 4,5 kg
(10 libras) de força para deslizar o bloco de 45 kg (100 libras) ou
18 kg (40 libras) de força para deslizar o bloco de 180
quilogramas (400 libras).
Assim, a quantidade de força necessária para mover um bloco dado
é proporcional ao peso desse bloco. Mais peso, mais força
requerida. Esse conceito aplica-se para dispositivos como freios
e embreagens, onde uma pastilha é pressionada contra um
disco giratório. Quanto mais força for aplicada contra a pastilha,
maior a força de parada.
COEFICIENTES
Um aspecto interessante sobre o atrito é que normalmente é necessário
mais força para parar um objeto solto do que para mantê-lo em
movimento. Existe um coeficiente de atrito estático, onde as duas
superfícies em contato não estão deslizando entre si. Se as duas
superfícies forem deslizar entre si, a quantidade de força é determinada
pelo coeficiente de atrito dinâmico, que é geralmente menor do que o
coeficiente de atrito estático.
Para um pneu de carro, o coeficiente de atrito dinâmico é muito menor que
o coeficiente de atrito estático. O pneu do carro promove a maior tração
quando o ponto de contato não está deslizando relativo à estrada.
Quando está deslizando (por exemplo, se o carro patinar ou queimar
pneus) a tração é reduzida significativamente.
UM SISTEMA DE FREIO SIMPLES
A distância do pedal ao pivô é quatro vezes a distância do cilindro
ao pivô, assim a força no pedal será ampliada por um fator de
quatro antes que seja transmitida ao cilindro.
Repare também que o diâmetro do cilindro de freio é três vezes o
diâmetro do cilindro do pedal. Isso multiplica ainda mais a força,
desta vez por nove. No todo, este sistema aumenta a força do
seu pé em um fator de 36. Se você puser 4,5 kg (10 libras) de
força sobre o pedal, 162 kg (360 libras) serão geradas na roda
que espreme a pastilha de freio.
Existem alguns problemas com este sistema simples. E se tivermos
um vazamento? Se for um vazamento lento, eventualmente não
haverá fluido suficiente para preencher o cilindro de freio e
consequentemente não funcionarão. Se for um vazamento
principal, então na primeira vez em que você acionar os freios
todo o fluido esguichará pelo vazamento e você terá total perda
dos freios
ABS
SISTEMA ABS
Parar um automóvel repentinamente em uma rua escorregadia
pode ser desafiador. Os sistemas de freios antitravamento (ABS,
anti-lock braking system) diminuem o desafio dessa situação
muitas vezes enervante. Em superfícies escorregadias, mesmo
motoristas profissionais não conseguem parar tão rapidamente
sem o sistema ABS se comparado a um motorista comum que
conta com esse sistema.
CONCEITO
Entender a teoria dos freios antitravamento é simples. Uma roda
que desliza (a área da pegada do pneu escorrega em relação à
estrada) tem menos aderência que uma roda que não está
deslizando. Se você já ficou imobilizado no gelo ou na lama,
sabe que se as rodas estão girando em falso, você não tem
tração, o carro não sai do lugar. Isso acontece porque a área de
contato está deslizando em relação ao solo. Ao evitar o
deslizamento das rodas durante a frenagem, os freios
antitravamento beneficiam você de duas maneiras: você irá
parar mais rápido e será capaz de mudar a trajetória do carro
enquanto freia.
EXISTEM QUATRO COMPONENTES PRINCIPAIS
EM UM SISTEMA ABS:
sensores de velocidade
bomba
válvulas
unidade controladora
Sensores de rotação
O sistema de frenagem antitravamento precisa saber, de alguma
maneira, quando uma roda está prestes a travar. Os sensores de
rotação, que estão localizados em cada roda ou, em alguns
casos, no diferencial, fornecem essa informação.
Válvulas
Existe uma válvula na tubulação de cada freio controlado pelo
ABS. Em alguns sistemas, as válvulas têm três posições:
a posição um, a válvula está aberta; a pressão do cilindromestre é passada direto até o freio;
na posição dois, a válvula bloqueia o tubo, isolando o freio
do cilindro-mestre. Isso previne que a pressão suba mais caso o
motorista pressione o pedal do freio com mais força;
na posição três, a válvula libera um pouco da pressão do freio.
Bomba
Uma vez que a válvula libera a pressão dos freios, deve haver
uma maneira de repor aquela pressão. É isso que a bomba faz:
quando a válvula reduz a pressão num tubo, a bomba repõe a
pressão.
Unidade controladora
A unidade controladora é um computador no automóvel. Ela
monitora os sensores de rotação e controla as válvulas.
ABS EM AÇÃO
Existem muitas variações e algoritmos de controle para sistemas
ABS. Veremos aqui como funciona um dos sistemas mais
simples.
A unidade controladora monitora os sensores de rotação o tempo
todo. Ela procura por desacelerações das rodas que não são
comuns. Logo antes de uma roda travar, ela passa por uma
rápida desaceleração. Se a unidade controladora não
percebesse essa desaceleração, a roda poderia parar de girar
muito mais rapidamente do que qualquer carro pararia. Levaria
cinco segundos para um carro parar, sob condições ideais a uma
velocidade de 100 km/h, mas quando uma roda trava, ela pode
parar de girar em menos de um segundo.
A unidade controladora do ABS sabe que uma aceleração tão rápida
é impossível, por isso, ela reduz a pressão naquele freio até que
perceba uma aceleração, então aumenta a pressão até que veja
uma nova desaceleração. Isto pode acontecer bem rapidamente,
antes que o pneu possa mudar de rotação de forma significativa.
O resultado disso é que aquele pneu desacelera na mesma
relação com o carro e os freios mantêm os pneus muito
próximos do ponto onde eles começam a travar. Isso oferece ao
sistema o máximo poder de frenagem.
Quando o sistema ABS estiver em operação você sentirá
uma pulsação no pedal de freio; isso se deve à rápida abertura e
fechamento das válvulas. Alguns sistemas ABS podem operar
em períodos de até 15 ciclos por segundo.
TIPOS DE FREIOS ANTITRAVAMENTO
Os sistemas de frenagem antitravamento usam diferentes
métodos, dependendo do tipo de freios em uso. Iremos nos
referir a eles pelo número de canais - isto é, quantas válvulas
são individualmente controladas - e o número de sensores de
velocidade.
QUATRO CANAIS, QUATRO SENSORES ABS
este é o melhor método. Há um sensor em todas as rodas e uma
válvula separada para cada uma. Com essa configuração, a
unidade controladora monitora cada roda individualmente para
assegurar a máxima potência de frenagem.
TRÊS CANAIS, TRÊS SENSORES ABS
este método, comumente encontrado em caminhonetes com ABS
nas quatro rodas, tem um sensor de velocidade e uma válvula
para cada roda dianteira, com uma válvula e um sensor para as
duas rodas traseiras. O sensor de rotação para as rodas
traseiras está localizado no eixo traseiro.
Este sistema fornece controle individual das rodas dianteiras,
assim ambas podem alcançar a potência máxima de frenagem.
As rodas traseiras, entretanto, são monitoradas juntas; elas
precisam começar a travar antes que o ABS seja ativado na
traseira. Com este sistema, é possível que uma das rodas
traseiras trave durante uma parada, reduzindo a eficiência da
freada.
UM CANAL, UM SENSOR ABS
Este sistema é bastante comum em caminhonetes com ABS nas rodas
traseiras. Possui apenas uma válvula, a qual controla ambas as
rodas traseiras, e um sensor de rotação situado no eixo traseiro.
Este sistema opera na parte traseira da mesma maneira que um
sistema de três canais.
As rodas traseiras são monitoradas juntas e ambas precisam começar
a travar para poder ativar o sistema ABS. Neste sistema também é
possível que uma das rodas traseiras trave, reduzindo a eficiência
da freada.
Este sistema é fácil de identificar. Geralmente há uma tubulação de
freio correndo ao longo de uma peça em "T" ajustada para ambas as
rodas traseiras. Você pode localizar o sensor de rotação procurando
por uma conexão elétrica próxima ao diferencial na carcaça do eixo
traseiro.