Funcionamento e detalhes do sistema de freios a tambor

O desenvolvimento dos componentes de freio do automóvel foi um obstáculo marcante para que este pudesse ser comercializado, uma vez que o sistema de freio é o principal sistema de segurança do veículo. No início do automóvel, este era derivado de carruagens, que antes, movidas por força animal, detinham um rústico sistema de freio no qual blocos de madeira eram forçados contra as rodas. Curiosamente, este arranjo mecânico em muito já se assemelhava ao futuramente conhecido, freio a tambor. 

Os primeiros freios foram brevemente úteis, uma vez que as velocidades eram muito baixas, cerca de 10 a 20 mph. Entretanto, no fim do século 18 (1890), a Michelin introduziu os primeiros pneus para automóveis, e por consequência os freios de blocos de madeira se tornaram inúteis [1]. Além disso, a velocidade dos veículos já haviam aumentado, e os freios existentes até então, não eram mais adequados.

Em 1898 o inventor Elmer Ambrose Sperry projetou um veículo elétrico no qual seu sistema de freios utilizou um moderno freio a disco. Esse sistema, patenteado posteriormente em 1902 pelo engenheiro inglês Frederic William Lanchester, apresentou um problema no qual até hoje encontra-se em estudo, os ruídos induzidos pelo atrito [1]. Contudo, os freios a disco ainda demorariam a serem aplicados nos automóveis, uma vez que a tecnologia da época não permitia a aplicação de tal sistema em larga escala.

A história do sistema de freios de um automóvel até se confunde com a história dos freios a tambor, uma vez que os primeiros arranjos eram claramente freios a tambor de sapata externa. A primeira aplicação automotiva de um freio a tambor surgiu em 1899, no projeto de Gottlieb Daimler. Um sistema rústico de freio a tambor com cintas externas freava o tambor, para então reduzir a velocidade das rodas. Alguns desses sistemas não utilizam pedais, e sim alavancas, como no caso do freio projetado Wilhelm Maybach para um dos primeiros Mercedes, no qual cabos de aço em torno do tambor de freio eram forçados contra este. 

Foi, também, em 1902 que surgiu um freio a tambor que se tornou padrão na indústria automotiva. O sistema era composto por duas sapatas com um material de atrito, provavelmente amianto, suportadas internamente por uma estrutura que tampava o tambor por de trás, o espelho. As sapatas eram forçadas contra a superfície interna do tambor, e então reduziam a velocidade das rodas. Aparecia então, uma variação do freio tambor, neste caso, com sapatas internas em um arranjo compacto e adequado a proposta automobilística. 

Os freios a tambor com cinta ou sapatas externas continuaram sendo aplicados, pois seu desempenho era condizente com as necessidades da época. Entretanto, suas desvantagens eram latentes, estavam expostos a detritos, umidade e chuva, possuíam elevado nível de desgaste e, uma vez desacoplados, possuíam um pequeno atraso no contato da cinta com o tambor novamente. Dessa forma, logo foram substituídos pelos freios a tambor com sapatas internas. As vantagens destes eram evidentes, estavam protegidos pelo tambor, o arranjo de molas mantinham as sapatas o mais próximo possível do tambor sem tocá-lo, reduzindo então tempo de acionamento do freio.

Posteriormente, por volta de 1918 apareciam os primeiros sistemas de freios hidráulicos, derivados de sistemas aeronáuticos criados por Malcolm Logheed (Futura Lockheed). Os freios hidráulicos foram um grande avanço, pois reduziam drasticamente a força de aplicação que o motorista deveria realizar para poder brecar efetivamente. Em 1921 o Model A Duesenberg tornou-se o primeiro automóvel de produção a utilizar sistema de freios hidráulicos nas quatro rodas [1].

Em 1924 a Chrysler instalou em seus veículos um sistema de freios hidráulicos baseados no sistema da Lougheed, porém, re-projetado. O sistema hidráulico ainda era visto com certa desconfiança pelas grandes fábricas, uma vez que os freios de acionamento mecânico ainda se mostravam confiáveis, mesmo com toda suas desvantagens. Ford e General Motors, por exemplo, apenas aderiram ao sistema entre as décadas de 1930 e 1940.

Durante os anos 1920, mesmo com os sistemas hidráulicos se mostrando mais confortáveis para acionar, surgiam os primeiros veículos com sistema de amplificação da força do pedal. Em 1928 o Pierce Arrow foi o primeiro carro de produção a utilizar um servofreio a vácuo, também conhecido hidrovácuo [1]. No qual o vácuo necessário para o componente funcionar era fornecido por uma mangueira conectada ao coletor de admissão. Essa assistência de frenagem começou a ser amplamente utilizada na década de 1940, para tornar-se padrão nos anos 50. A partir daí, o que se viu na indústria automotiva foi o estabelecimento de uma configuração padrão de sistema de freios automotivo. No caso, o sistema de freios hidráulico com disco nas rodas dianteiras e tambor nas rodas traseiras.

Características

Concebido inicialmente para equipar os dois eixos de um automóvel, o tambor de freio acabou perdendo espaço para o freio a disco devido aos problemas de superaquecimento. Fabricado inteiramente de ferro fundido cinzento (gray cast iron), o tambor possui uma lenta dissipação de calor, o que dificultava a recuperação das lonas ao Fade.  O fade acarretava em variações do coeficiente de atrito entre lona e tambor, o sistema perdia consideravelmente sua força de frenagem. Entretanto, por ser fabricado em ferro fundido cinzento e suas peças serem de fácil construção, esse tipo de freio torna-se muito barato para equipar toda uma linha de montagem. Além disso, é capaz incorporar facilmente um freio de estacionamento e possui grande área de contato.

Atualmente os freios a disco são unanimidade nos eixos dianteiros, porém no eixo traseiro o freio a tambor ainda é justificável. Como a maioria dos automóveis possuem motores dianteiros e durante uma frenagem ocorre uma grande transferência de carga para a dianteira do veículo, os freios precisam de uma distribuição de pressão que priorize maior pressão nos freios dianteiros, enquanto os traseiros travariam as rodas se recebessem a mesma força. Essa distribuição é feita por uma válvula reguladora, logo a traseira recebe uma pressão forte, mas não o suficiente para travar as rodas.

Portanto, como os freios traseiros não desempenham uma força de frenagem de mesma magnitude que nos freios dianteiros, logo não será alcançada as mesmas temperaturas elevadas destes. Soma-se a isso o fato de que baratear os custos de produção é uma regra, então um sistema de freio que é, certa forma limitado, como o tambor de freio, pode ser usado no eixo traseiro com ou sem ABS e ainda manter o veículo dentro das normas, padrões de segurança, custo de produção e custo de manutenção.

Vantagens

  • Incorpora facilmente um sistema de freio de estacionamento;
  • Baixo custo de fabricação;
  • Baixo custo de manutenção;
  • Grande área de atrito;
  • Simples e funcional;
  • Promove auto-energização.

Desvantagens

  • Pesado em relação ao freio a disco;
  • Possui mais peças em relação ao freio a disco;
  • Superaquece com mais facilidade;
  • Manutenção demorada, embora mais barata;
  • Tendência ao Fade;
  • Sua blindagem não o protege contra imersão;
  • Atuação não uniforme;
  • Dosagem ruim (em relação ao freio a disco).

Componentes

Crédito foto: http://hkts-co.com/Autoparts/index.php/products/brake-system.html
  • Espelho;
  • Lonas;
  • Sapatas;
  • Cilindro de freio;
  • Molas;
  • Tambor;
  • Regulador;
  • Freio de estacionamento.

Espelho

Também chamado de Back-plate, o espelho tem a função de alinhar o conjunto, as sapatas e o cilindro mestre estão fixos ao espelho. O espelho deve estar alinhado para prover o ponto ideal de contato entre sapata e o tambor de freio. Caso o espelho esteja desalinhado o ponto fica comprometido, ocorrendo desgaste prematuro de algumas das sapatas.

Lonas

As lonas são os componentes de atrito do sistema de freio a tambor, assim como as pastilhas são para o sistema de freio a disco. Há não muito tempo, as lonas eram fabricadas de amianto (Asbestos) devido a sua estabilidade de atrito durante o estresse térmico nos quais os freios são submetidos, bem como sua vida útil. De certa forma, duram mais que as pastilhas de freio. Atualmente as lonas são fabricadas em materiais compósitos, nos quais utilizam diversos componentes, sendo sua composição ocultada do mercado por um motivos estratégicos das empresas do ramo automobilístico. O motivo pelo qual a aplicação do amianto ter sido descontinuada, é por este ser prejudicial a saúde humana. As lonas de freio possuem notável resistência ao fading, que é a perda de potência de frenagem em virtude das altas temperaturas entre tambor e lona, podendo se recuperar rapidamente quando resfriadas.

Sapatas

Configurações das sapatas. Crédito foto: https://www.sheldonbrown.com/drum-brakes.html

As sapatas são os componentes de suporte das lonas de freio. Sua estrutura é projetada visando não apenas dar suporte as lonas, mas também serem leves, fáceis de acionar e absorverem o máximo de vibração possível. Estes componentes são montados no espelho através de um ancoramento, que permite a sua articulação. No extremo oposto ao ponto de ancoramento da sapata está o ponto de acionamento desta. Em geral as sapatas de freios automobilísticos são acionadas por cilindros hidráulicos. Contudo, sistemas mais antigos, de utilitários pesados [7], chegaram a contar com uma came em formato de “S”, na qual ao girar, acionava as duas sapatas simultaneamente. De acordo com Bosch [7], as configurações de posicionamento e acionamento das sapatas dependem dos requerimentos de força, ancoragem e ajuste das sapatas. Consequentemente são fatores que determinam o tipo de freio a tambor.

Cilindro de roda

O cilindro de roda é o componente responsável por exercer a pressão do sistema de freios sobre as sapatas. Existem dois tipos de cilindro de roda, o de simples ação e o de dupla ação. A diferença é a quantidade de pistões de acionamento. O cilindro de simples ação possui um pistão, e portanto aciona apenas uma sapata. O cilindro de dupla ação possui dois pistões, acionando então as duas sapatas. Em geral, os cilindros de roda são compostos por pistão, coifa, mola, retentor e pino de acionamento.

Molas

As molas utilizadas no freio a tambor tem como função principal retornar as sapatas a sua posição inicial depois de cessada a força no pedal de freio. Ao mesmo tempo, as molas mantém as sapatas pressionadas contra o regulador, que é um parafuso de auto-ajuste [1]. Entretanto, dependendo do tipo de freio a tambor, existem de 1 a 3 molas com função de retorno das sapatas e molas de acionamento do auto-ajuste. 

Tambor

A função principal do tambor é formar a superfície de atrito com a qual a lona de freio será comprimida. O tambor também serve como tampa para o sistema evitando entrada de poeira ou qualquer outro detrito, porém ele não é vedado e certamente será atingido em passagens inundadas. Em algumas de suas variações, rolamentos de roda podem ser alojados no tambor, bem como podem ser utilizado aletas em superfície externa buscando melhor troca de calor com o ar externo.

O tambor de freio é, na maioria dos casos, fabricado em ferro fundido cinzento de alta condutividade térmica (FC 150 HC) [2]. Isso é obtido através do alto teor de carbono e grafita no material no material. Para que este componente desempenhe melhor é comum a adição de outros componentes químicos à sua formulação, como Nb e Ti para aumentar a resistência ao desgaste e Mo, para maior resistência em altas temperaturas e menor fadiga térmica.  Existem muitas empresas de autopeças aftermarketing que utilizam a variação de ferro fundido FC 200, que embora seja de baixo custo, possui boa usinabilidade e condutividade térmica [2].   

O alto carbono, pode resultar em uma lenta dissipação do calor e expor o tambor ao Hot Judder. Este fenômeno é uma vibração causada pela velocidade de rotação do tambor (ou disco de freio) e não uniformidades na superfície de atrito [8]. Isto são pontos de carbono tendem a subir em direção a maior temperatura, ou seja, a superfície de atrito, formando “bolinhas” azuladas. Quando a temperatura reduz, essas bolinhas tornam – se extremamente duras, pois o elevado pico de temperatura que praticamente resulta em uma tempera. Devido a esse fenômeno ocorre trepidações no pedal de freio durante a frenagem. Contudo, a importância do teor de carbono nos componentes girantes de freios automobilísticos está na grande contribuição desse composto ao desempenho do sistema. Ganguly et al.³ (2007) diz que o módulo de elasticidade (E) do ferro fundido cinzento é diretamente afetado pela sua micro-estrutura e composição química. O módulo de elasticidade (ou módulo de Young) é um parâmetro de grande influência na rigidez do tambor. 

O uso do ferro fundido cinzento é justificado, principalmente, pela sua capacidade de amortecer vibrações, que nos sistemas de freios ocorrem devido ao atrito gerado entre o componente girante e o componente fixo, neste caso tambor e sapata, respectivamente. Entretanto, já se buscam alternativas ao ferro fundido cinzento ou para aumentar sua capacidade de amortecimento, como por exemplo, aumentar a quantidade de grafita presente na composição química ou o uso de materiais compósitos como o ferro fundido com SiC [4].  

Tipos de tambores

  • Tambor aletado: Muito usado no passado e pouco usado atualmente, o objetivo deste é possuir aletas como nos motores a ar, que possuem a mesma função, arrefecer. Promove o melhor arrefecimento do conjunto através de sua maior área de troca de calor.
  • Tambor com molas: Tem como objetivo amortecer as vibrações transmitidas ao pedal durante frenagens de pequena e média intensidade.

Regulador automático

Crédito foto: http://knowhow.napaonline.com/know-how-then-now-how-drum-brakes-work/

Ao pisar no pedal de freio, a resposta deve ser imediata. Contudo as lonas sofrem desgaste com o uso, e então aquela pequena distância entre a lona e o tambor aumenta. Dessa forma, o cilindro mestre precisa compensá-la com mais fluido, resultando em um pedal de freio com maior curso. Para evitar esse inconveniente foi incorporado um sistema de regulagem automática para compensar o desgaste das sapatas, quando em virtude deste a distância da sapata para o tambor aumentar, o braço de regulagem avança a engrenagem do regulador automático em um dente que por meio de um parafuso que vai deslocando a sapata para próximo do tambor de acordo com seu desgaste, ou seja, a medida que ela se desgasta o regulador vai compensando essa distância, porém até certo ponto.

Em determinado momento, em que não há mais condições de freio no tambor devido ao desgaste crítico da lona, é necessário a substituição das lonas. Na ocasião destas estarem muito desgastadas (o limite é de 1 mm em relação aos rebites.) e mesmo o assim continuarem sendo usadas, o desgaste chegará ao nível dos rebites, que encostarão no tambor arranhando-o. Dessa forma não há outra solução a não ser substituição de todas as lonas e do tambor. Existem serviços de retífica que são frequentemente oferecidos como uma opção mais acessível à substituição do tambor. Entretanto, essa prática não é aconselhável, uma vez que a retífica é um processo que retira material do tambor, enfraquecendo-o.

Tipos de regulagem

  • Regulagem única: Possui um coeficiente de desgaste já fixo no sistema, a regulagem só ocorre se o desgaste ultrapassar este valor. Utilizado em freios a tambor do tipo Fixo;
  • Regulagem progressiva: Esse sistema não corrige o desgaste no momento em que ele ocorre e sim quando o carro é freado em movimento de ré, depois disso a alavanca avança um dente e aproxima as lonas do tambor;
  • Regulagem por freio de estacionamento: O ajuste ocorre apenas se acionar o freio de estacionamento;
  • Regulagem progressiva (sapatas flutuantes): Neste sistema não basta apenas andar de ré, o carro precisa ser brecado para que ocorra o ajuste. Depois de ultrapassado o coeficiente de desgaste, o regulador avança um dente, porém apenas aproximam do tambor quando se freia o carro de ré. Ao soltar o freio a mola de retorno pressiona a alavanca girando o parafuso do regulador.

Freio de estacionamento

Embora o freio de estacionamento seja acionado mecanicamente independente do sistema principal, existem carros nos quais o sistema de acionamento é elétrico, acionado por um botão. Entretanto, algumas legislações exigem que o freio de estacionamento possua um sistema mecânico independente. Este consiste de um cabo de aço conectado na parte inferior de um mecanismo de alavanca montado na sapata secundária. Esse mecanismo é pivotado na parte superior da sapata secundária próximo ao mecanismo de auto-ajuste, inclusive conectando-se a este.  

Dessa forma ao acionar o freio de mão, esse cabo é puxado e, por sua vez, puxa a alavanca da sapata secundária até que esta encoste no tambor. Uma vez que isso acontece, uma força de reação é transmitida a sapata primária através do mecanismo de auto-ajuste fazendo com que esta também encoste no tambor. Assim, o freio de estacionamento é acionado e as rodas ficam travadas. 

Tipos de freio a tambor

Embora ao longo do seu desenvolvimento existissem muitas variações dos tipos de freios, para aplicações automotivas utilizam-se somente os freios a tambor com sapatas internas. Freios que utilizam tambor com molas e ou aletas, também foram descontinuados. Dessa forma a variação de freios a tambor se restringe as sapatas, seu pivotamento e acionamento. Basicamente existem duas variações de pivotamento das sapatas dos freios a tambor:

  1. Freio a tambor de sapatas com pivotamento fixo;
  2. Freio a tambor de sapatas deslizantes (ou flutuantes).
Tipos de pivotamento das sapatas. a) Sapata com pivotamento fixo individual, b) Sapata com pivotamento fixo compartilhado, c) Sapata com pivotamento deslizante paralelo e d) Sapata com pivotamento deslizante em superfície inclinada. Crédito foto: BOSCH, Brakes, Brake Control and Driver Assistance System: Funcion, Regulation and Components. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2014.

Pivotamento ou ancoramento é o ponto de fixação das sapatas no espelho, este suporte impede que a sapata translade, mas a deixa livre para rotacionar. Sapatas ancoradas em um ponto fixo¹ são fixadas na sua extremidade e acionadas pelo cilindro de roda na outra. Embora simples, esta configuração resulta no desgaste não uniforme das sapatas [1], uma vez que sua pressão de contato na superfície interna do tambor também não é uniforme. Isso significa que as sapatas nunca estão em contato pleno com o tambor, resultando não apenas em desgaste uniforme, como também, ruídos e vibrações. Um outro ponto negativo desta configuração encontra-se na diferença da força de frenagem provocada pelas sapatas. Neste arranjo, a sapata secundária (ver tópico Auto-energização) sofre auto desenergização, o que diminui drasticamente a força de frenagem resultante.

As sapatas deslizantes² são assim denominadas pois o ponto do apoio destas é um contato deslizante. Em outras palavras, as sapatas encostam suas extremidades em uma superfície, geralmente um pino de pressão ou a parte traseira do cilindro de roda, no qual é permitido que as sapatas deslizem quando acionadas. A vantagem deste deslizamento, é que ao serem acionadas, as sapatas possuem determinada liberdade para se ajustarem em resposta ao movimento do tambor. Além disso, o desgaste desigual visto em sapatas pivotadas reduz significativamente, ajudando na diminuição das vibrações. Entretanto, a maior contribuição desta configuração é redução auto desenergização da sapata secundária, aumentando a força de frenagem resultante do sistema.

Outra forma de classificação das sapatas é de acordo com o acionamento destas, que assim como seu suporte, possui algumas variações. Estas são:

  1. Simplex;
  2. Duplex;
  3. Duo-duplex;
  4. Servo;
  5. Duo-servo.

Freio simplex

Freio a tambor do tipo simplex com sapatas pivotadas individualmente (a) e com pivotamento compartilhado (b). Legenda: 1) direção da rotação, 2) auto-energização, 3) auto-energização da sapata secundária, 4) momento gerado no pivotamento, 5) cilindro de roda de dupla ação, 6) sapata primária, 7) sapata secundária e 8) pivô. Crédito foto: BOSCH, Brakes, Brake Control and Driver Assistance System: Funcion, Regulation and Components. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2014.

Esse tipo de freio utiliza um cilindro de roda do tipo dupla ação, no qual possui dois pistões que se deslocam em direção opostas empurrando as duas sapatas. Esse tipo de freio utiliza pivotamento fixo em suas sapatas. Os pivôs podem ser individuais para cada sapata ou compartilhado entre estas, o que não muda seu funcionamento nem as consequências destes. Nesse tipo de freio a tambor, apenas a sapata primária sofre auto-energização, logo a a sapata secundária tem sua força de frenagem resultante inibida. Porém, quando o veículo se desloca de ré, esse comportamento torna-se inverso. Em outras palavras, a sapata secundária passa a sofrer auto-energização, enquanto a sapata primária é que tem sua força reduzida. Um freio do tipo simplex possui fator de auto-energização variando entre 2 e 4 vezes a força aplicada nas sapatas [1].

Freio duplex

Freio a tambor do tipo duplex. Legenda: 1) Sentido de rotação do tambor, 2) auto-energização das sapatas, 3) molas de retorno, 4) cilindro de roda, 5) ancoramento deslizante e 6) sapatas. Crédito foto: BOSCH, Brakes, Brake Control and Driver Assistance System: Funcion, Regulation and Components. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2014.

O freio duplex é assim chamado pois utiliza dois cilindros de roda, porém de simples ação. Estes são montados de forma acionar as sapatas em extremidades opostas. O suporte das sapatas é do tipo deslizante, e estas são escoradas sobre a parede traseira dos cilindros de roda de simples ação. Dessa forma, o freio a tambor do tipo duplex é capaz de produzir uma força de frenagem maior, se comparado ao sistema simplex. Além disso, seu desgaste e distribuição de pressão é menos uniforme, resultando em menos ruídos e vibrações. O arranjo duplex é capaz de gerar uma força de frenagem de até 6 vezes maior que a força de aplicação [1].

Freio duo-duplex

Freio duo-duplex. Legenda: 1) sentido de rotação do tambor, 2) auto-energização das sapatas, 3) momento nos suportes, 4) cilindro de roda de dupla ação, 5) ancoramento deslizante das sapatas e 6) sapatas. Crédito foto: BOSCH, Brakes, Brake Control and Driver Assistance System: Funcion, Regulation and Components. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2014.

Esta é uma pequena variação do sistema duplex acima, porém utilizando dois cilindros de roda de dupla ação. O objetivo é utilizar os pontos de suporte das sapatas também como pontos de acionamento, de forma que estas sejam acionadas em ambas as extremidades. Não há pivotamento, mas sim o contato deslizante nos suportes das sapatas, que é também o pistão do cilindro de roda de dupla ação. Assim é possível ter não apenas duas sapatas com auto-energização, como também uma melhor pressão de contato. Seu principal atributo é o desgaste identico entre as sapatas [7]. O freio a tambor duo-duplex é capaz de gerar uma força de frenagem acima de 6 vezes a força aplicada nas sapatas [1]. Entretanto, essa relação de forças não é mantida constante durante sua vida útil devido ao fading das lonas [7].

Freio servo

Freio a tambor do tipo servo. Legenda: 1) sentido de rotação, 2) auto-energização, 3) momento nos suportes, 4) cilindro de roda de dupla ação, 5) sapata primária, 6) sapata secundária e 7) pino de pressão unidirecional. Crédito foto: BOSCH, Brakes, Brake Control and Driver Assistance System: Funcion, Regulation and Components. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2014.

O freio a tambor do tipo servo é uma variação que utiliza um cilindro de dupla ação para acionar as duas sapatas. Estas são ancoradas contra um pino de pressão, sistema chamado de flutuante. Além disso, esse sistema conta com molas extras para trazer as sapatas de volta a sua posição de repouso. O funcionamento acontece normalmente com um sistema simplex, porém o pino de pressão se desloca transmitindo parte da força de frenagem da sapata primária com a sapata secundária. Isso não ocorre de maneira inversa, caso o veículo esteja se deslocando de ré e seja brecado. Nessa situação o freio funciona como um simplex comum, pois o pino de pressão transmite a força aplicada neste em apenas uma direção. Assim, a auto-energização ocorrida apenas na sapata primária, é compartilhada com a sapata secundária através do pino de pressão, empurrando-a contra o tambor. Dessa forma, as duas sapatas acabam sendo auto-energizadas. Esse sistema é capaz de produzir uma força de frenagem mais de 6 vezes superior a força de aplicação [1].

Freio duo-servo

Freio a tambor do tipo duo-servo. Legenda: 1) sentido de rotação, 2) auto-energização, 3) momento nos suportes, 4) cilindro de roda de dupla ação, 5) sapata primária, 6) sapata secundária e 7) pino de pressão. Crédito foto: BOSCH, Brakes, Brake Control and Driver Assistance System: Funcion, Regulation and Components. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2014.

Este possui os mesmos componentes do sistema servo, porém o pino de pressão no freio a tambor duo-servo é capaz de transmitir força para as duas direções. Assim, ocorre auto-energização nas duas sapatas independente do veículo está se deslocando para frente ou de ré. O sistema duo-servo também é capaz de gerar uma força de frenagem mais de 6 vezes superior a força aplicada pelo cilindro de roda [1]. Curiosamente, essa capacidade de produzir grandes forças de frenagem é um dos motivos pelo qual o sistema foi descontinuado. O problema de grandes forças e momentos gerados nesse tipo de freio são as elevadas solicitações térmicas e variações na auto-energização [7]. Isso requer um sistema de freio bem dimensionado para grandes cargas. Os freios a tambor duo-servo foram bastante utilizados em veículos utilitários médios e leves, no eixo traseiro.

Funcionamento

Crédito foto: https://pigeonsblue.com/2014/04/25/drum-brakes/

O princípio é o mesmo do freio a disco, quando o veículo está em movimento ele acumula muita energia cinética, para reduzir a velocidade ou pará-lo completamente é preciso dissipar essa energia. O sistema de freio a tambor também executa essa tarefa através do atrito, mas nesta aplicação, o contato ocorre entre a lona e a parede interna do tambor de freio.

Na sua posição de repouso, as lonas não estão em contato com o tambor, pois as molas de retorno estão mantendo as sapatas longe do tambor. Dessa forma as sapatas estão pressionando o mecanismo de auto-ajuste, mais precisamente o parafuso e a catraca de ajuste. Isso permite que estes dois componentes sejam mantidos contra a manga do auto-ajuste. Assim a alavanca da catraca ficará travada, impedindo que o parafuso avance alterando a posição das sapatas. 

Quando acionamos o pedal do freio, pressurizamos a linha de fluído de freio até as rodas, este transmite a pressão por ser um fluído incompressível. Essa pressão atua no pistão do cilindro de freio, assim uma força de compressão proveniente do pistão empurra as duas sapatas contra a parede do tambor. Como o material da lona (rebitada na sapata) e o tambor desenvolvem um grande coeficiente de atrito, a força de atrito gerada vai reduzir a velocidade da roda, que está conectada ao tambor de freio. Entretanto, há diferenças nos procedimentos do funcionamento dos freios, pois uma vez que o contato entre lona e tambor ocorrem, há também a geração de calor, desgaste e dilatação das lonas. Isso interfere no funcionamento do freio, pois as molas mantém as sapatas com uma folga mínima em relação ao tambor.

Dessa a existe uma temperatura crítica de operação do sistema, que no caso é a temperatura na interface entre tambor e lonas. Dessa forma, destaca-se o funcionamento do sistema de freios antes e depois dessa temperatura, no caso, 80°C.

Ao acionar os freios, no caso destes estarem frios ou abaixo dos 80°C, o sistema funciona de forma padrão, porém a diferença está na operação do mecanismo de auto-ajuste. Assim, com as sapatas acionadas, molas de retorno estão puxando o parafuso e a catraca de ajuste resultando no afastamento destes da manga do auto-ajuste. Então, um pequeno espaço entre a manga e a catraca de ajuste permite que a alavanca de acionamento da catraca possa se deslocar. Enquanto isso, uma chapa-mola de ajuste da manga puxa a parte de trás da alavanca da catraca para cima. Essa mola possui na sua extremidade um dente inclinado para engrenar nos dentes da catraca. A partir desse ponto, caso ocorra um desgaste significativo, a distância entre a lonas e a superfície interna do tambor vai aumentar. Assim o dente que está na extremidade da mola de manga engrena com a catraca girando-a em apenas um dente, e resultando no deslocamento do parafuso do auto-ajuste. Esse deslocamento aumenta o comprimento do mecanismo de auto-ajuste. Embora seja muito pequeno e milimétrico, o deslocamento é apenas o suficiente para manter as lonas o mais próximo possível do tambor, porém toca-lo.

Após diversos acionamentos do freio, o sistema aquece e ocorre a dilatação do tambor. Por consequência a distância entre o tambor e as lonas aumenta e isso pode provocar um acionamento errôneo do auto-ajuste. Uma vez que o tambor arrefecer, a distância entre lonas e o tambor retornará ao normal. Dessa forma, o mecanismo de auto-ajuste possui um procedimento no qual o impede de ser ativado em caso apenas de dilatação. Uma pequena chapa de metal ligada a manga do auto-ajuste impede que a alavanca da catraca se desloque. Assim, a chapa-mola da manga não consegue engrenar seu dente a catraca, logo não é feita a regulagem.

Quando aliviamos a força no pedal de freio, as sapatas precisam retornar a sua posição inicial. Para isso, molas conectadas as duas sapatas, puxam esta para sua posição de repouso, consequentemente retornando os pistões do cilindro de freio da roda. A energia cinética do veículo é absorvida pelo tambor de freio por atrito, para então ser dissipada para o meio ambiente por transferência de calor por condução.

Auto-energização (Brake factor)

Já é de conhecimento que os freios a tambor dispõe de duas sapatas, estas possuem denominações referentes ao sentido de giro da roda. Por exemplo, a sapata é chamada de primária (Leading) quando está posicionada para o lado a favor do sentido de giro da roda no deslocamento do veículo para frente. Assim a força de atrito gerada suplementa a força de aplicação [7]. Sendo assim, a outra sapata é chamada de secundária (Trailing) pois está posicionada para lado contra o sentido de giro da roda no deslocamento reto para frente do veículo e a força de atrito não apoia a força aplicada na sapata.

A auto-energização é uma vantagem mecânica, que ocorre no funcionamento de sistemas de freios a tambor reduzindo o esforço do motorista no acionamento do sistema de freios. Esse efeito acontece no momento que o sistema de freios é solicitado, quando a pressão desenvolvida pelo cilindro mestre chega aos cilindros de roda, estes empurram as sapatas contra a parede do tambor, e esta exerce uma força de reação sobre as sapatas.

Entretanto, os momentos gerados por essas forças não são iguais, visto que são duas sapatas em lados opostos. Então, ocorre na sapata secundária, uma auto desenergização, pois a força de frenagem exercida pelo pistão do cilindro de roda produz um momento que faria esta girar no sentido contrário ao movimento da roda. Enquanto as forças reativas e de atrito, na respectiva sapata, geram momentos que tendem a girar a sapata no sentido de giro da roda. Portanto, o que ocorre é uma redução da força de frenagem na sapata secundária. Enquanto que na sapata primária, a força exercida pelo cilindro de roda, faz com que esta tenha a tendência a girar no sentido de giro da roda, e assim, o momento gerado devido a força de atrito tende a puxar a sapata primária ainda mais contra o tambor, reduzindo o esforço do motorista para brecar o veículo.

Alguns veículos dispõem de mecanismos que acionam as duas sapatas de forma que, as duas desenvolvam o mesmo nível de auto-energização. O acionamento do tambor de freio torna-se um pouco mais sensível ao coeficiente de atrito da lona com a parede do tambor de freio. Isso deixa o sistema um pouco mais vulnerável às variações de coeficiente de atrito devido à temperatura ou desgaste dos componentes. Além disso, o sistema também fica mais exposto a ruídos [5].

Manutenção

Um dos grandes atributos positivos do freio a tambor é a sua manutenção, devido ao baixo custo dos materiais de seus componentes. O freio a tambor requer manutenção para substituição das lonas de freio quando estas encontram-se desgastadas. Existem um momento certo de troca da lonas, geralmente indicado na própria lona através de furos que aparecem em determinada profundidade de desgaste. Além disso, a estrutura do tambor de freio geralmente incorpora um cubo de roda ou uma ponta de eixo, que recebem rolamentos. Muitas aplicações destes já contam com rolamentos blindados, que são livres de manutenção (lubrificação). Nestas aplicações a manutenção é a substituição dos rolamentos. Em outras aplicações, geralmente com pontas de eixo, o tambor possui rolamentos de rolos que devem ser lubrificados, sendo este um dos procedimentos de manutenção do sistema de freio a tambor. 

Referências

  1. BOSCH, Brakes, Brake Control and Driver Assistance System: Funcion, Regulation and Components. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2014;
  2. Guesser, W. L. , Baumer, I. , Tschiptschin, A. P. , Cueva, G. , Sinatora, A. Ferros Fundidos Empregados para Discos e Tambores de Freio. Brake Colloquium. Gramado, Brazil;
  3. Ganguly, S. , Tong, H. , Dudley, G. , Connolly, F. , Hoff, S. Eliminating Drum Brake Squeal by a Damped Iron Drum Assembly. 2007 World Congress, Detroit, Michigan, 2007;
  4. Teoh, C-Y., Ripin, Z. M., Abdul Hamid, M. N. Analysis of friction excited vibration of drum brake squeal. International Journal of Mechanical Sciences, 2013, 67, 59 – 69;
  5. GILLESPIE, Thomas D, Fundamentals of Vehicle Dynamics, Warrendale, Society of Automotive Engineers, 1992. 470p;
  6. SENAI, Série Metódica Ocupacional;
  7. BOSCH, Robert, Manual de Tecnologia Automotiva. 25.ed. Edgard Blücher LTDA, 2004. 1231p;
  8. Day, Andrew. Braking of Road Vehicles, Chapter 10, Brake Noise and Judder. Elsevier, 2014, 418p. DOI: 10.1016/B978-0-12-397314-6.00005-X.

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  • http://knowhow.napaonline.com/why-are-drum-brakes-still-in-modern-cars/