Funcionamento e detalhes do Sistema de Freios Automobilístico

Norton [13] sugere que freios e embreagens são o mesmo dispositivo. Curiosamente estes possuem muitos detalhes em comum. Ambos funcionam através do atrito entre dois componentes, porém, chama-se freio, o aparato que possui uma peça fixa e uma peça móvel. Em termos gerais, nesses arranjos, a peça fixa é chamada de estator, enquanto que a peça móvel é o rotor. Esse princípio de funcionamento dos freios automobilísticos permanece desde o primeiro mecanismo de travamento, que acredita-se ter surgido nas antigas civilizações. Entretanto, no fim do século XIX o arranjo de freio era basicamente o mesmo destes. A medida que a indústria automobilística foi se desenvolvendo, os freios ganharam a configuração se encontra atualmente. Assim é interessante compreender os pormenores de um sistema simples, centenário e que continua sendo a tecnologia principal do sistema de freio automobilístico. Este artigo tem como objetivo destacar todos os aspectos e detalhes gerais de um sistema de freio automobilístico, bem como os conceitos físicos, materiais e componentes utilizados, bem como o funcionamento fundamental deste.

Funções do sistema de freios

De maneira genérica, a função de um sistema de freio é simples, parar o veículo. Entretanto, é no seu projeto que surgem os grandes questionamentos, pois deve-se garantir que o sistema funcionará corretamente em qualquer situação. É importante entender que o potencial do freios está intimamente ligado ao atrito dos pneus com a pista [14]. Dessa forma os freios nunca poderão operar requisitando mais tração do que o promovido por essa interação dos pneus com a pista. É neste detalhe que aparecem mais obstáculos, pois não há garantias de que um veículo estará sempre em vias bem pavimentadas e que as condições climáticas serão sempre favoráveis. Além disso, o veículo poderá estar puxando um reboque ou trailer, ou até mesmo ser um caminhão puxando vários eixos. 

A dinâmica veicular é um campo da engenharia automotiva que estuda o comportamento dos automóveis. Através desta sabe-se que as rodas estão sofrendo constantes variações de carga. Portanto, o potencial de frenagem de cada uma destas estará sob variação ininterrupta. Some a isso o desgaste dos componentes de frenagem, e finalmente entende-se que o sistema de freios deve lidar com condição severamente transientes, de forma que reduzir sua função a apenas parar o veículo, é desconsiderar todo as adversidades que esse sistema deve lidar. Apesar disso, Limpert (1999) sugere que um sistema de freios automobilístico tem três funções elementares:

  1. Desaceleração do veículo e sua parada total;
  2. Manter a velocidade do veículo em condições de declives;
  3. Manter o veículo estático em condições de inclinação.

Estrutura do sistema de freios

No começo do automóvel, o sistema de freio era simplório, cabos acionavam as sapatas contra as rodas. Embora um sistema de freio moderno não possua diferenças fundamentais significativas, possui diversos dispositivos, que em conjunto permitem o funcionamento do freio[4]. Estes dispositivos são:

O sistema de freio é baseado na seguinte estrutura:

  • Dispositivo de energia;
  • Dispositivo de modulação;
  • Dispositivo de acionamento;
  • Dispositivo de transmissão;
  • Dispositivo de força.

Fornecimento de energia

É a estrutura que garante ao sistema de freio a energia para este funcionar, esta é fornecida pelo motorista, sendo portanto a energia muscular. O fornecimento de energia é comumente composto pela força muscular do condutor mais o auxílio do pneumático do servofreio. Este componente que visa aumentar a força aplicada pelo motorista, para que esta finalmente acione o suprimento hidráulico de energia, que é o cilindro mestre.

Dispositivo de modulação

Esse dispositivo tem função de modular a energia fornecida pelo condutor através do dispositivo de acionamento e de energia. Os componentes do sistema de freio que realizam essa função, em geral, são as válvulas de regulagem de pressão das rodas traseiras. Contudo, devido a padronização dos freios ABS, o próprio sistema antibloqueio tornou-se um dispositivo de modulação.

Dispositivo de acionamento

Todo sistema de freio possui dispositivos de acionamento, o pedal de freio é um dispositivo de acionamento direto do sistema de freio. Entretanto, a pressão aplicada ao fluído de freio é garantida pelo cilindro mestre, o que torna este, um dispositivo de acionamento indireto do sistema. Além destes, o freio de estacionamento (freio de mão), também é um dispositivo de acionamento, porém totalmente mecânico e agindo apenas nas rodas traseiras.

Dispositivo de transmissão

Para que a pressão aplicada ao fluido chegue aos pistões e estes desempenhem a força de frenagem necessária, devem existir dispositivos que transmitem essa pressão. Os componentes que são considerados dispositivos de transmissão são o fluído de freio, mangueiras flexíveis e dutos. Estes componentes são responsáveis por transmitir a energia de acionamento até os pistões de cilindros de roda e pinças, sendo as mangueiras também dispositivos de transmissão.

Dispositivo de força

Trata-se dos componentes do sistema de freio responsáveis pelo trabalho pesado, no caso lidar com a energia cinética do veículo. Isso é feito através dos componentes que geram forças que se opõem ao movimento para frente das rodas. Nos sistemas de freios automobilísticos os dispositivos de forças são os discos e tambores de freio.

Fontes de energia

Para que as pastilhas sejam pressionadas contra o disco, ou as lonas contra o tambor, deve haver uma fonte de energia para tal. Dessa forma é comum encontrar freios com diversos dispositivos de energia. Limpert (1999) sumariza as principais fontes de energia utilizadas nos freios automobilísticos. Contudo, muitas destas encontram-se em desuso.

Esforço muscular do motorista

Os primeiros freios de automóveis eram rústicos sistemas mecânicos. O motorista comandava através do pedal ou de alavancas toda a energia fornecida para pressionar as sapatas contra o tambor. Projetos de freios puramente mecânicos são obsoletos, pois o esforço para realizar uma frenagem eficiente em um automóvel pequeno é extremamente elevado para um motorista comum. No passado, esses sistemas até se justificavam pois, as velocidades atingidas pelos veículos eram muito baixas e o sistema de freio a tambor realiza auto-energização, multiplicando a força aplicada pelo motorista.

Freio pneumaticamente assistidos

Antes do surgimento do freios hidráulicos, na década de 50, já existiam freios assistidos. Esse auxílio passava a ser necessário pois veículos estavam mais pesados e mais rápidos. Os freios assistidos são caracterizados por uma ou mais fontes de energia [14]. O servofreio, ou hidrovácuo, é uma destas, esse é componente utilizado para multiplicar a força proveniente do pedal.

Freios completamente assistidos

Similar aos freios assistidos em termo de fonte de energia, porém a fonte de energia não requer acionamento do pedal para fornecimento de energia. Este, por sua vez, é apenas um dispositivo para modular a energia fornecida aos freios de cada roda. Freios pneumáticos e hidráulico sofisticados costumam utilizar esse tipo de fornecimento de energia visando o conforto do condutor.

Freios de impulso

Essa fonte de energia é utilizada para freios de reboques e trailers. Trata-se de um mecanismo que ativa os freios do reboque de acordo com o movimento relativo entre o veículo e o reboque.

Freios elétricos

Utiliza como fonte de energia para frenagem, atuadores elétricos que acionam os freios, também são bastante utilizados em reboques e trailers.

Freios de arrasto

Alguns trailers possuem dispositivos que são despejados na superfície, porém mantidos ligados ao trailers. O atrito desses dispositivos sendo arrastado na pista promove a redução de velocidade. Esse tipo de freio já foi utilizado nos automóveis na época em que surgiram, mas logo foram descontinuados.

Freios de mola

Neste caso, o fornecimento de energia são molas conectadas as sapatas de um freio a tambor. Este sistema não é utilizado em automóveis, mas é possível de ser encontrados em freios a tambor de máquinas em geral.

Meios de transmissão

A energia de um sistema de freio é produzida nos dispositivos de energia, por exemplo, o servofreio. O pedal introduz a força de acionamento, e o servofreio produz a energia necessário para pressurizar o fluído de freio. Nesse caso, o fluído de freio é o meio de transmissão de energia. Entretanto, de acordo com a aplicação do sistema de freio, podem ser utilizados outras formas de transmitir a energia fornecida pelo motorista. Limpert (1999) descreve as principais formas de transmissão energia utilizadas em automóveis:

Mecânica: Os primeiros freios eram completamente mecânicos, assim cabos, alavancas e cames era componentes comumente utilizados como meio de transmissão de energia até as sapatas. Contudo, esse meio de transmissão de energia era extremamente desconfortável, uma vez que transmitia parte das vibrações da pista para os comandos. Outro inconveniente era a sua necessidade de regulagem constante.

Hidráulica: Estes freios passaram a utilizar um fluido próprio para transmitir a energia de acionamento até os componentes pesados dos freios. Os sistemas hidráulicos de freios automotivos são derivados dos primeiros sistemas aeronáuticos projetados por Malcom Lougheed.

Pneumático: O ar é meio condutor de energia para tambor ou disco de freio. Este tipo de meio de transmissão não é comum em automóveis leves e médios, mas em veículos pesados, que requerem um sistema capaz desempenhar elevadas forças de frenagem. Limpert (1999) salienta que existem sistema de freio a vácuo, e que estes são mais comuns em trens.

Elétricos: Quando o meio de transmissão é do tipo elétrico, geralmente o veículo dispõem de um sistema de freio além do convencional (disco e tambor). Inversores elétricos promovem a variação do campo magnético gerado, fazendo com que o cubo de roda girar no sentido oposto ao movimento. Dessa forma obtém-se a redução de velocidade do veículo.

Combinado: Neste tipo, o sistema de freio dispõe de dois ou mais meios de transmissão de energia. Limpert (1999) diz que sistema de freios a ar utilizam um meio de transmissão do reservatório de ar comprimido até a câmara de ar, próximo aos componentes pesados. Nesse ponto, há a mudança de meio de transmissão de pneumático para mecânico, através de alavancas, eixos e cames. Essa configuração de freio é comumente utilizada em veículos pesados, como caminhões.

Curiosamente, os automóveis leves e médios não possuem meio de transmissão combinados, são unicamente hidráulicos. Uma vez que o servofreio potencializa a energia fornecida pelo condutor, apenas o fluído de freio transmitirá está até os freios de roda. É o fluído de freio que aciona cada freio através do cilindros de roda. O freio de estacionamento é um exemplo de freio puramente mecânico, é apenas utilizado para manter o veículo estático quando não operacional. Contudo, é projetado para lidar com as mesmas adversidades dos freios nominais, uma vez que estes são, também, os freio de emergência do veículo, a última opção no caso de falha total dos freios.

Configurações

Fonte: HEISSING, Bernd, ERSOY, Metin. Chassis Handbook – Fundamentals, Driving Dynamics, Components, Mechatronics, Perspectives, Germany, Vieweg+Teubner, 2011. Página 158.

O cilindro mestre é responsável por pressurizar o fluído de freio, e este exercerá essa pressão sobre os pistões de cilindros de roda e pinças. Contudo, o caminho que o fluído percorrerá é determinado por tubulações e mangueiras. Existem duas configurações de circuito de freios utilizadas na indústria automotiva. Uma delas possui dois circuitos de tubulações, cada um dedicado as rodas dianteiras e traseiras respectivamente. Nesta configuração o cilindro mestre pressuriza o circuito de freios dianteiros e traseiros separadamente. Em caso de falha apenas um circuito de freio teria poder frenagem, mas de forma menos equilibrada, pois uma vez que apenas o eixo traseiro disponha de freios as chances de perda de controle do veículo aumentariam drasticamente. Este tipo de configuração é voltada para veículos utilitários, destinados a utilização com carga sobre o eixo traseiro.

Crédito foto: https://www.quora.com/How-can-you-tell-if-one-of-the-brakes-in-a-split-brake-system-fails

A segunda configuração, que se tornou padrão, é chamada de configuração X (ou repartição x). Esta configuração dedica dois circuitos de tubulações de freio, mas que atuam sobre uma roda dianteira e a roda traseira diagonalmente oposta, realizando uma frenagem em X das rodas [2]. Este circuito tem como vantagem a maior segurança do sistema, visto que em caso de vazamento de uma das tubulações, a outra garante uma pressão frenagem menor, porém equilibrada. Além disso, sua utilização também resultou no menor custo com tubulações e mangueiras, visto que estas ficaram mais curtas e diretas.

Além dessas duas configurações, é comum a aplicação de um circuito de freio redundante em alguns veículo. No caso veículos de grande massa, como veículos militares e caminhões de carga. Esta configuração é chamada de circuito HH, pois existem dois circuitos de freios pra cada eixo [2]. A pinça de freio é dotada de dois pistões, alimentados por circuitos hidráulicos diferentes, essa redundância visa garantir que na ausência de pressão de um dos circuitos, o sistema de freios não fique inoperante. Devido ao alto custo desse sistema, não é utilizados em veículos civis.

Princípios físicos

O motor do automóvel fornece a energia para que este se desloque, uma vez em movimento este adquire uma grande quantidade de energia cinética. Essa energia é proporcional a velocidade que o veículo está trafegando e, também, a sua massa. Portanto, quanto maior a massa do carro e quanto mais rápido estiver, maior será a energia cinética acumulada. Quando torna-se necessário reduzir a velocidade ou parar, por inércia, a tendência é que este veículo permaneça em movimento, a não ser que algum sistema se encarregue de transferir a energia cinética que o veículo possui, e então este poderá reduzir sua velocidade e parar. O sistema de freio é o encarregado desta tarefa, e este a realiza através de alguns princípios físicos:

  • Força mecânica;
  • Pressão;
  • Atrito.

Força mecânica

Crédito foto: http://knowhow.napaonline.com/how-to-measure-brake-pedal-ratio/

A força mecânica é o primeiro princípio físico no acionamento dos freios de um automóvel, este atua através do pedal de freio. O pedal não está ligado diretamente ao cilindro mestre de freio, e sim ligado a uma haste articulada. O ponto de articulação da haste e o ponto de ligação desta com o acionador do cilindro mestre, são fatores determinantes para a força mecânica aplicada aos pistões daquele.
No projeto de um pedal de freio, a relação entre o comprimento da haste do pedal, ou seja, a distância do pedal até o seu suporte (pivô ou parafuso de fixação) e a distância do ponto de ligação do acionador do cilindro mestre para o ponto de fixação do pedal determina a sensibilidade e o curso do pedal de freio. De acordo com a imagem acima:

  1. X = Comprimento da haste do pedal;
  2. Y = Distância do ponto de ligação da haste de acionamento do cilindro mestre ao ponto de fixação do pedal;
  3. X / Y = Relação do Pedal de Freio.

Quando a relação do pedal de freio for muito alta, por exemplo 6/1 (leia 6 para 1), o pedal de freio ficará muito sensível e com um curso muito longo, logo aplicará uma grande força de frenagem à menor das forças aplicadas pelo motorista. Contrariamente, se a relação for muito baixa, o motorista terá aplicar uma grande força sobre o pedal de freio para obter a frenagem necessária, mas terá um curso menor do pedal.
Portanto, quando acionamos o pedal de freio com uma força qualquer (em Newtons, N), a força que o acionador aplicará no pistão do cilindro mestre será de x vezes a força, onde x é a relação do pedal de freio. Como no exemplo citado no parágrafo anterior, se a relação for de 6/1, a força de aplicação exercida pelo motorista será multiplicada por 6, facilitando o acionamento dos freios.
Este arranjo mecânico é chamado de braço de alavanca(em inglês, leverage), e é uma forma de aumentar a força de freio sem aumentar a força muscular exercida pelo motorista.

Pressão

A pressão exerce papel fundamental no funcionamento do sistema de freios, sem ela não há freios, simples assim. Aquela atua em vários pontos do sistema de freio, o cilindro mestre, as tubulações que ligam este aos cilindros de roda e pinças e o servofreio.
O sistema de freio é baseado na transmissão de força através de um fluído, este fluído não pode ser gasoso, pois este é compressível, e grande parte da força de freio se perderia por conta disso. Teríamos então um automóvel como fraco poder frenagem. Entretanto, existem os chamados fluídos incompressíveis, que desempenham uma propriedade interessante ao sistema de freio. Esta é a capacidade de transmitirem integralmente e em todos os sentidos, a pressão aplicada a ele. A pressão está relacionada a força aplicada sobre uma área. Dessa forma, a pressão é determinada pela seguinte fórmula:

P = F / A, onde:

  • P = Pressão (N/m²)
  • F = força (N – Newton ou Kg·m/s²);
  • A = Área (m² – metros quadrados);
  • 1 Kgf ≈ 9,80665 N.

Ou seja, aplicamos uma força de 1 Kgf sobre um êmbolo de 1 cm² de área, estamos, na verdade aplicando uma pressão 1 Kgf / cm² por todas direções do recipiente que o fluído está contido, seja ele um cilindro de freio, uma tubulação de freio ou um cilindro mestre. Dessa forma, podemos exemplificar alguns esquemas:

O primeiro deles é de apenas um cilindro mestre. Um cilindro mestre possui um pistão com área frontal de 2 cm². O pistão recebe do pedal uma força de 10 Kgf, logo de acordo com a fórmula de pressão, a pressão aplicada no fluído de freio será de 5 Kgf / cm².

O segundo esquema é composto por um cilindro mestre acionando apenas uma pinça de freio. O cilindro mestre possui área frontal de 2 cm² e recebe, do pedal de freio, uma força de 10 Kgf. Então a pressão aplicada no fluído de freio será de 5 Kgf / cm². Por sua vez, a pinça de freio possui um pistão com área de 4 cm², e recebe do fluído de freio uma pressão de 5 Kgf / cm². Assim, a força que o pistão da pinça exercerá na pastilha de freio será de 20 Kgf.

O terceiro esquema é, também, composto por um cilindro mestre acionando apenas uma pinça de freio. O pistão do cilindro mestre possui área frontal de 2 cm² e recebe do pedal de freio uma força qualquer que o faz se deslocar 3 cm. Dessa forma, o volume de fluído de freio deslocado será de 6 cm³ (2 cm² x 3 cm). O que significa dizer que o pistão do cilindro de roda sera pressurizado, com a mesma pressão aplicado pelo cilindro mestre no fluído de freio, que deslocou 6 cm³ deste. Assim, o pistão da pinça de freio irá se deslocar 1,5 cm (6 cm³ / 4 cm²).

Os esquemas demonstrados acima mostram que a força aplicada no pedal de freio empurra o pistão do cilindro mestre que exerce no fluído de freio uma pressão, o fluído aplicará sobre os pistões das pinças de freio esta mesma pressão, mas o mesmo não pode se dizer do seu curso e da força que esta exercerá sobre a pastilha de freio. No último exemplo, o pistão da pinça de freio se deslocou apenas 1,5 cm, a metade do deslocamento do pistão do cilindro mestre.

O volume de fluído de freio deslocado pelo pistão do cilindro mestre será distribuído igualmente para todas as pinças de freio e cilindros de roda, ou seja, se foi deslocado 6 cm³, cada roda receberá 1,5 cm³ (6 cm³/4) de fluído de freio, mas devido as maiores dimensões dos pistões das pinças e cilindros de roda, o deslocamento será reduzido à relação entre a área do pistão da pinça de freio ou do cilindro de roda e o volume deslocado pelo pistão do cilindro mestre. Supondo que cada freio possui pistões com 4 cm² de área, estes se deslocariam apenas 0,375 cm (1,5 cm³ / 4 cm²).

Percebe-se então que, a força aplicada no pedal de freio, é transformada em pressão pelo cilindro mestre, essa pressão é transmitida ao fluído, que a distribui para o freio de cada roda. Neste, a pressão será multiplicada pela área do respectivo pistão, dessa forma é determinada a força que pistão fará sobre as sapatas ou pastilhas de freio. É usual na indústria automobilística utilizar cilindros mestres comprimidos e finos, pois nesta configuração se obtém uma menor força de acionamento do pedal de freio pelo motorista.

Outro ponto no qual há pressão atuante no sistema de freio, é em componentes que se utilizam da diferença de pressão entre a pressão atmosférica e uma pressão abaixo desta para funcionar, neste caso temos o Servofreio. Mas para entender seu funcionamento, é preciso saber de onde vem a pressão que o mesmo utiliza.

Basicamente, a pressão existente no planeta Terra é proveniente da camada gasosa que o envolve, a atmosfera. Essa camada gasosa é atraída pela força gravitacional do planeta, quanto mais próximo do nível do mar, um ponto de referência estiver, maior será a pressão sobre este ponto. A pressão que a atmosfera exerce sobre a Terra ao nível do mar é de 1 Kgf/cm², ou seja, qualquer componente do automóvel, está submetido a pressão atmosférica, desde que este esteja ao nível do mar.

O servofreio utiliza a relação da pressão atmosférica com uma pressão menor para funcionar. Basicamente, este é composto de duas câmaras hermeticamente fechadas e ligadas ao coletor de admissão do motor, aonde predomina pressão abaixo de 1 Kg/cm². Contudo, uma das câmaras possui uma abertura para o ar atmosférico, que se encontra fechada até o momento em que o motorista aciona o pedal de freio. Nesse momento, o ar atmosférico entra em uma das câmaras, criando uma diferença de pressão entre as duas, auxiliando na força de frenagem exercida pelo motorista. Tem-se então, mais um auxílio que aumenta a força de frenagem aplicada pelo motorista.

Atrito

Em nível de importância, o atrito viria logo atrás da pressão, pois aquele tem papel fundamental na dissipação da energia cinética do veículo. No sistema de freio automotivo, o atrito está presente no contato entre a pastilha e disco de freio e sapata e a superfície interna do tambor de freio.

O atrito ocorre sempre que um corpo tende a escorregar ou escorrega sobre outro. Mesmo que as superfícies dos corpos em contato aparentem certa uniformidade, microscopicamente, estas possuem vales e cristas que arrastam entre si provocando uma força que se opõe ao movimento de um corpo em relação ao outro. Essa é a chamada força de atrito e a intensidade desta depende não apenas do material dos corpos em contato, mas também da sua massa. Quanto maior a massa, maior será a força necessária para deslocar um corpo sobre uma superfície, pois a massa do corpo exerce sobre a superfície de contato um força compressiva, quanto maior for essa força, maior será a dificuldade para deslocar o corpo.

Essa teoria é utilizada no sistema de freio, neste pastilhas e sapatas são fortemente comprimidas contra disco e tambor respectivamente. O atrito das pastilhas e sapatas com o disco e o tambor, fazem estes reduzirem de velocidade, reduzindo então, a velocidade da roda. Dessa forma, a energia cinética do veículo é transformada em calor, devido ao atritos entre os componentes, e o calor adquirido por discos e tambores de freio é dissipado pela troca de calor com o ar, assim o veículo tem sua velocidade reduzida, e a energia cinética, também. Vale ressaltar, que os freios reduzem a velocidade das rodas, mas o que vai fazer o veículo parar é o atrito do pneu com a superfície.

Breuer e Dausend (2003) definem o freio como um dispositivo que transforma energia cinética em energia térmica. No caso do automóvel, a energia cinética é adquirida quando este ganha velocidade. No ato da frenagem, o atrito gerado pelos freios converte a energia cinética em energia térmica. Esta é armazenada para que então seja dissipada pelo ar ao redor. Entretanto, esse energia adquirida pelo freio não é totalmente para ar, uma parte desta é dissipada através de vibrações mecânicas. Portanto, o que define a parada total de um veículo é o bom funcionamento do sistema de freio, o tipo de superfície que aquele está trafegando, o tipo de pneu utilizado e seu estado.

Funcionamento

Considerando um automóvel com sistema de freios padrão, ou seja, que utiliza discos de freios nas rodas do eixo dianteiro e tambor de freio nas rodas do eixo traseiro e que está em movimento. Quando o motorista aciona o pedal de freio para reduzir a velocidade deste até sua parada total. Ao pressionar o pedal, a força aplicada pelo motorista é multiplicada pelo mecanismo de braço de alavanca.

Dessa forma, a haste acionadora do servofreio é empurrada pela força do pedal abrindo um lado da câmara deste para o ar atmosférico, a diferença de pressão entre as câmaras do servofreio aumenta a força que o motorista aplicou no pedal. A haste do servofreio, então, empurra o pistão do cilindro mestre, e este, de acordo com suas medidas de área, aplica a pressão requerida pelo motorista sobre o fluído de freio.

O volume de fluído de freio deslocado pelo pistão do cilindro mestre é distribuído para os pistões dos cilindros e pinças de freio. Os pistões, recebem a pressão do fluído de freio, e aplicam sobre as sapatas e pastilhas de freio a força de frenagem proporcional a sua área, empurrando sapatas e pastilhas contra tambores e discos de freio.

As rodas reduzem sua velocidade até a imobilização, quando o motorista cessa a força sobre o pedal de freio os pistões retornam a sua posição de repouso. Neste momento, tambores e discos de freio trocam de calor com o ar envolta, dissipando o calor adquirido durante a frenagem. A energia cinética do veículo é, então, transferida.

Contudo, funcionamento dos freios vão além do simples contato entre componentes. O sistema de freio é um conversor de energia, convertendo grande parte da energia cinética do veículo em energia térmica através do contato da pastilha com o disco ou, no caso de um freio a tambor, das lonas com a superfície interna do tambor de freio. Entretanto, uma parte dessa energia acaba sendo convertida em energia vibracional. O resultado é uma radiação sonora que envolve diversos componentes do sistema de freio. Essa a razão pela qual os freios automotivos emitem tantos ruídos [9].

Fading

Crédito foto: http://kyleverploegen.com/brakes.htm

Os freios são projetados para suportar o calor produzido durante uma frenagem, mas quando este atinge níveis que superam o limite máximo de tolerância, ocorre um fenômeno chamado fading. O fading é o enfraquecimento do material de atrito, neste caso, pastilhas e lonas de freio. Estes, quando superaquecidos, perdem momentaneamente seu poder de fricção. Consequentemente a força de frenagem do veículo fica comprometida. Entretanto, cessada a frenagem e dissipado o calor adquirido, o material recupera suas propriedades fundamentais.

O fading ocorre quando esforços prolongados e excessivos são aplicados aos freios, por exemplo, uma freada em descida sem o devido freio motor. Pastilhas e lonas de freio que estiveram expostas a esforços excessivos são facilmente identificáveis, pois sua superfície de atrito apresenta-se com uma textura vidrada, e sem a rugosidade de antes. Quando o esforço é extremo, os componentes de atrito podem não recuperar suas propriedades iniciais, necessitando serem trocados.

É possível perceber quando o fading ocorre, nesta situação, além do poder de frenagem reduzido, o pedal de freio tem seu curso aumentado, pois fluído de freio, não suporta a temperatura extrema na qual está exposto e entra em ebulição, o pedal desce enviando mais fluído. A fricção é recuperada aliviando o pedal de freio para que o ar possa refrigerar os componentes, e então efetuar novamente a frenagem.

Distribuição de freios

As rodas são os únicos pontos de contato do automóvel com o solo, portanto, sobre estas repousa toda a massa do automóvel, a essa massa denominamos, carga. Entretanto, devido as características de projeto do automóvel, este apresenta uma diferente distribuição de peso sobre os eixos, podendo ser maior sobre as rodas da frente ou maior sobre as de trás.

Um sistema de freios padrão poderia facilmente aplicar uma igual força de frenagem nas quatro rodas, mas isso não seria adequado devido a distribuição de carga sobre os eixos do automóvel, que além de ser diferente em ambos os eixos, está em constante mudança quando o veículo está em movimento.

A carga sobre as rodas varia devido a inércia, esta é uma propriedade que os corpos possuem de manter o seu estado atual, ou seja, se está em repouso, ele tende a continuar em repouso, se está em movimento, ele tende a continuar em movimento. Com carros não é diferente. Sempre que um veículo encontra-se parado, ele tende continuar parado. Entretanto, quando o motor fornece energia para o carro arrancar, a inércia se opõe ao movimento dele. Nesse momento, a carga sobre os pneus se altera, ela se concentra sobre as rodas traseiras, não totalmente, mas o suficiente para reduzir bastante a área de contato dos pneus dianteiros contra o solo. O mesmo ocorre quando estamos em movimento e freamos. Grande parte da carga se concentra sobre os pneus dianteiros, reduzindo a área de contato dos pneus traseiros com o solo.

Portanto, um sistema de freio com equalização de pressão igual para todas as rodas, facilmente travaria as rodas traseiras em uma frenagem de media/alta intensidade. O travamento das rodas ocorre na transição do coeficiente de atrito estático para o coeficiente de atrito dinâmico, ou seja, entre os dois corpos (pneu e superfície) há movimento relativo, o carro está então, deslizando. Dessa forma, o veículo perde seu controle direcional, pois em deslizamento, este pode alterar sua trajetória em qualquer direção com bastante facilidade e sem intervenção motorista.

Qualquer sistema de freios padrão, mesmo sem ABS, está apto a lidar com esse tipo de situação, de forma a reduzir o travamento das rodas traseiras. Basta que a pressão hidráulica nos freios dianteiros e traseiros sejam adequadas a distribuição de carga (distribuição de peso) do automóvel.

Em um veículo com estrutura padrão, motor dianteiro transversal e tração dianteira, o sistema conta com Válvulas Reguladoras de Pressão no circuito das rodas traseiras, que reduzem a pressão hidráulica sobre as rodas traseiras. Essas válvulas possuem duas variações, as que funcionam de acordo com a variação de carga (válvula de freio sensível a carga) e de acordo com a variação de pressão (válvula de freio sensível à pressão). Assim, mesmo sem freios eletro-hidráulicos (ABS), um automóvel com sistema de freio puramente mecânico, é capaz de parar em segurança.

Modulação do pedal

Como explicitado anteriormente, o pedal de freio não apenas é o dispositivo de entrada de energia no sistema. Talvez, mais importante do que isto, o pedal é, também, o dispositivo de modulação dessa energia. O pedal de freio é um dos componentes do veículo que traduz muito do que está ocorrendo com as rodas e com seus freios. Não à toa, este sistema obedece severamente a normas e requisitos acerca, principalmente, do curso de operação e da força necessária para acionamento dos freios.

Estudos apontam que a força exercida pelo pé direito de uma mulher com manequim de quinto percentil, é capaz de aplicar uma força de 445 N (100 lb). Homens com o mesmo manequim conseguem desempenhar um máximo de 823 N (185 lb) [14]. Além disso, um piloto bem treinado é capaz de acionar o pedal com uma velocidade de 1 m/s (3 a 3,5 ft/s). Essa velocidade cai quando o mesmo estudo é feito com motoristas comuns, 0,1524 m/s (0,5 ft/s) [14].

A importância desses estudos é a compreensão do sentimento que o motorista possui ao acionar os freios. Limpert (1999) cita um exemplo, um pedal de freio com curso 100 mm, acionado por piloto, poderia cumprir esse percurso em apenas 100 ms (milisegundos). É muito pouco tempo para retornar alguma informação ao condutor. Portanto, o pedal deve transmitir uma sensação de segurança, mas sem deixar de indicar o que está acontecendo com as rodas. Um curso muito pequeno, pode deixar passar condições da pista que são de interesse do motorista, por exemplo, pista escorregadia, com as rodas tendendo ao travamento. Se o pedal for muito suave, conhecido como esponjoso, passa a sensação de mau funcionamento, pode levar a uma reação excessivamente cautelosa do motorista. Portanto, é necessário estabelecer parâmetros para que os pedais possam traduzir para o motorista o que está acontecendo com as rodas e os freios. Segundo Limpert (1999), o FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety Standard) estabelece normas e requisitos que o pedal de freio, e sua operação, devem seguir. Essas normas estipulam o parâmetros como força de aplicação (Fa), curso do pedal (X) e taxa de força por desaceleração (Pr). A força de aplicação é a força que o condutor deve fazer para parar o veículo na condição de GVW, esta é dada em Newton (N). A sigla GVW (PB) significa peso bruto do veículo, que é o peso do veículo completamente carregado e operante, dentro do especificado pelo fabricante. O curso do pedal é dado em milímetros (mm) ou pés (foot, ft) e é determinado pela diferença do pedal livre para o pedal completamente acionado, que é quando todos os pistões do cilindro mestre encostam no esbarro de fim de curso. A taxa de força por desaceleração é o quanto de força é aplicada no pedal sobre a desaceleração do veículo na condição de GWT, dada em Newton por gravidade (N/g).

Freios não assistidos

Na categoria de freios sem auxílio do hidrovácuo são estipulados que, Fa deve variar entre 445 a 489 N (100 a 110 lb) e o veículo deve ser capaz de executar um frenagem na condição GWT com desaceleração de 1 g. X não deve exceder os 150 mm (6 in).

Freios assistidos

Para freios assistidos, que utilizam o hidrovácuo, são definidos uma série de requisitos. Começando pela Força de aplicação, que deve variar entre 223 a 334 N (50 a 75 lb) e gerar uma desaceleração de 0,9 a 1 g em condição de GWT. O curso do pedal pode oscilar dentro 75 a 90 mm (3 a 3,5 in) na condição de freio frio, no caso, 366 K (200 F). O acionamento do servofreio não pode ser realizado com uma força fora do limites inferior e superior de 13 e 22 N (3 e 5 lb), respectivamente. Além disso, o servofreio, caso falhe, não deve requerer mais do 4 a 6 in de curso para efetuar uma frenagem segura. Essa é uma preocupação grande, visto que a depressão que gera o aumento de força aplicada é limitada. Assim, as normas estipulam que o servofreio não pode perder ação em frenagens que resultem em desacelerações de 0,9 a 1,0 g. Limpert (1999) também cita que as normas exigem que o circuito hidráulico dos freios não pode ter um atraso de operação maior que 100 ms, para servofreios com diafragma único, 180 ms com diafragma duplo.

Desempenho em condições de falha

A FMVSS 105 também sugere requisitos para situações nas quais o sistema de freio apresenta falhas. É claro que existem muitas oportunidades para o sistema de freio falhar, porém existem muitas mitigações dessas falhas, e são estas que fazem desse sistema, tão seguro. Limpert (1999) indica que casos de falha no servofreio ou no circuito hidráulico, uma força de aplicação de 445 N (100 lb) deve ser o máximo necessário para provocar uma desaceleração de 0,3 g em um veículo em condição de GWT. Além disso, em frenagens constantes, o risco de um problema de superaquecimento é eminente. Assim, as normas estipulam que, em condição de uma força constante de 445 N, o curso do pedal não poderá oscilar fora de 115 e 130 mm, para um curso total de 150 mm. Isso é imposto, pois o temperatura excessiva provoca a evaporação do fluído de freio, dessa o pedal de freio ficaria com o curso maior e com sensação esponjosa.

Freio de estacionamento

Freios de estacionamento deve garantir que o veículo se mantenha estático quando não operacional, mesmo com forças externas tendendo a deslocá-lo. Assim, o freio de estacionamento não está fora das exigências e regulamentações de freios. A mais conhecidas destas é manter o veículo estacionário em condições de inclinação de 30% (16,7 graus), com um esforço de acionamento de até 356 N (80 lb). Para a mesma situação, porém com o freio de operação, o pedal deve estar acionado com um força de até 445 N (100 lb). Além disso, o freio de estacionamento deve ser capaz de parar o veículo na condição de GVW com uma desaceleração 0,3 g.

Componentes

O sistema de freio de um automóvel é composto pelos seguintes componentes básicos:

  • Pedal;
  • Servofreio;
  • Cilindro mestre;
  • Disco de freio;
  • Tambor de freio;
  • Fluídos de freio.

Pedal de freio

Crédito foto: https://www.wilwood.com/Pedals/PedalProd?itemno=340-13834

Trata-se do dispositivo de comando do sistema de freio, através do pedal o motorista vai pressurizar o sistema, e este irá se encarregar de reduzir a velocidade das rodas. O pedal de freio é projetado de forma a se ligar a uma haste, ou já incorporado a haste, esta é a responsável por realizar o braço de alavanca e multiplicar a força aplicada no pedal pelo motorista. Fabricado em aço, deve suportar a grandes solicitações de força sem deformar-se. O pedal encontra-se no assoalho do veículo, entre o pedal de embreagem e do pedal do acelerador. É articulado de modo a estar livre para girar. Entre a articulação e a região de acionamento, está a haste a conexão com a haste do acionador do servofreio ou do cilindro mestre, dependendo da aplicação do sistema de freio. O comprimento do pedal e o ponto de ligação do acionador do servofreio/cilindro mestre são medidas determinantes para relação do pedal, e esta determina quantas vezes a força aplicada pelo motorista será multiplicada.

Servofreio

Crédito foto: https://pt.aliexpress.com/item/3540200-B00-A1-impulsionador-do-V-cuo-com-conjunto-do-cilindro-mestre-do-freio-para-GREAT/32848593710.html

Quando acionamos o freio do veículo, um mecanismo de braço de alavanca multiplica a força com a qual pressionamos o pedal. Entretanto, nem sempre essa força é suficiente para que cilindro mestre exerça no fluído de freio a pressão adequada para deter o veículo. Então é empregado um componente pneumático que suplementa a força aplicada pelo braço de alavanca do pedal.

O servofreio, tem formato circular, é uma câmara de ar dividida por uma membrana de borracha, geralmente concebido na cor preta, montado logo entre o pedal de freio e o cilindro mestre, é bastante destacado dentro do cofre do motor. Também chamado de hidro vácuo ou vacuum booster (em inglês) se utiliza da diferença de pressões internas para gerar uma força extra no acionamento do cilindro mestre. Além disso, também garante que em situações críticas, mesmo com o motor desligado, o motorista ainda possua a seu dispor, pelo menos, uma pedalada no pedal freio com a força suplementar do servofreio.

Cilindro mestre

Crédito foto: https://www.americantrucks.com/master-cylinder-9704.html

Acionado indiretamente pelo motorista, o cilindro mestre é o componente que produz a força hidráulica do sistema de freio. O cilindro mestre recebe a força de acionamento do servofreio e a transforma em pressão hidráulica dentro de um circuito que direciona o fluído de freio pressurizado para as quatro rodas do automóvel.

De forma cilíndrica, geralmente fabricado em ferro fundido, em conjunto único com o reservatório de fluído de freio ou em separado. É instalado na parte dianteira do servofreio, no cilindro mestre se ligam as tubulações que conduzem o fluído de freio às rodas. Por dentro, um pistão corre por um curso determinado, neste, pequenos orifícios conduzem o fluído para tubulações de freio e, também, o fazem retornar para o reservatório.

Projetado para ser resistente e seguro, é um componente durável e de pouca manutenção, requerendo cuidado, apenas, com a qualidade e os prazos de substituição do fluído de freio. Possui dispositivos que garantem frenagem em, pelo menos, um dos eixos em caso de vazamento.

Estator

O estator é o componente fixo do sistema de freio, no caso dos mesmos aplicados em automóveis, trata-se da pastilha e da lona de freio. A principal função do estator e gerar um coeficiente de atrito estável, ou seja, com o mínimo de variação sob qualquer condição. Isso deve ser garantido pois, o sistema de freio será exposto às mais variadas condições climáticas de funcionamento.

Rotor

O rotor é o componente giratório do sistema de freio, no caso dos automóveis, estes são representados pelo tambor e disco. O tambor possui formato cilíndrico, porém tampado apenas em uma de suas extremidades, motivo pelo qual o confere determinada instabilidade. As sapatas são pressionadas contra a superfície interna do tambor. O disco, como o próprio nome diz, tem formato de disco e espessura determinada. A sua superfície de contato é a própria área diametral do disco.

 

 

Alguns fatores funcionais fizeram o tambor ser preterido pelo o disco. As diferenças entre estes vão desde o espaço ocupado a sua capacidade de dissipar o calor adquirido em uma frenagem. Assim, o disco passou a ser item padrão nos freios dianteiros, e mais recentemente nos traseiros. Equipando grande parte dos automóveis populares e de categorias intermediárias, o freio a tambor é um sistema antigo, no entanto muito durável e funcional, características que ainda o seguram no mercado. Trata-se de um engenhoso mecanismo que comanda duas sapatas contra uma parede giratória, que é o tambor propriamente dito e, apesar de ser um conceito antigo, ainda possui bom desempenho a ponto de ainda ser utilizado nos automóveis.

 

Fluído de freio

Crédito foto: https://www.mynrma.com.au/cars-and-driving/car-servicing/resources/understanding-brake-fluid
Para que o sistema de freios funcione, deve haver um fluído que exerça a função de transmitir a força aplicada no pedal de freio aos pistões do cilindros de roda. Este fluído é chamado de fluído de freio e é bastante esquecido por grande parte dos proprietários de automóveis. Entretanto, o fluído de freio pode ser considerado o mais importante fluído de trabalho utilizado no automóvel, pois está diretamente ligado a segurança. Portanto, o fluído de freio segue rigorosas normas regulamentadoras e está contido no plano de manutenção do veículo.

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