A história dos sistemas de freios automobilísticos

Do surgimento da roda até as carruagens

A utilização de rodas data de 5.000 a.C., estas foram utilizadas em carroças e carruagens, pequenos meios de transporte movidos a tração animal. O surgimento de freios deu-se devido a necessidade de controle destes veículos primitivos durante declives. Estes freios era basicamente blocos de madeira, que eram pressionados contra as rodas. Em 1690 as carruagens utilizavam sapatas ou calços que eram ativados manualmente. As sapatas quando acionadas reduziam a velocidade das rodas mantendo a carruagem sob controle. No Século XIX a tecnologia de freios continuava simplória. As carruagens ainda utilizavam alavancas ligadas as sapatas, que pressionavam diretamente as rodas traseiras. Além disso haviam pequenos sistemas de travamento por atrito de um bloco contra a superfície. Em 1820, Baron Karl Drais utilizou um rústico aparato de freio em seu veículo protótipo, que muito se assemelhava a um motocicleta. O arranjo nada mais era do que uma sapata externa pressionada contra a roda. Nos anos 1850 surgiam os primeiros eixos fabricados em ferro. Nestes as rodas contavam com um freio de sapata, no qual uma sapata era pressionada contra a superfície metálica da roda. O grande destaque deste sistema era o uso de um mecanismo de redução, para que a força de acionamento aplicada pelo motorista fosse menor. Começavam as preocupações com conforto. Estes rústicos sistemas dependiam diretamente da força física do condutor para a diminuição da velocidade do veículo e a maioria destes contribuíram para o desgaste das rodas [1]. Entretanto, o fato era que estes veículos ainda possuíam um trem de força fraco e a demanda de frenagem não era tão elevada. Assim, os automóveis que surgiam dispunham de freios apenas nas rodas traseiras e acionados por alavancas.

Os freios de sapatas externas

Percebe-se que mesmo depois de milhares de anos após a invenção da roda, e das carruagens, os métodos para controlar a velocidade desses veículos eram, basicamente, os mesmos. Em 1885 Gottlieb Daimler apresentava um de seu primeiros protótipos, um automóvel com freio nas rodas traseiras. Naquela época, os veículos eram controlados por meio de alavancas, assim, ambos os sistemas de freios e de direção eram por alavancas. No caso do veículo de Daimler, a alavanca de freio ficava próximo a alavanca de direção. Os freios eram do tipo sapatas externas, nas quais friccionavam contra a superfície metálica das rodas.

1886 Daimler Motor Carriage

Em 1886 surgiam os primeiros veículos capazes de transportar mais de um passageiro. O  Daimler Motor Carriage o Benz Motocar, que embora parecidos, possuíam conceitos diferentes em seus projetos [1]. O primeiro era derivado de um carruagem movida à cavalos, enquanto o Benz foi projetado para ser um automóvel. Contudo, ambos utilizavam motores de combustão interna. Apesar disso, sua inovação em termos de freios, era utilizar o arranjo de sapatas externas em todas as rodas. Paralelo a utilização de freios com sapatas externas, uma outra variação desses sistema também era aplicado nos recentes automóveis, os freios de cinta. O princípio de funcionamento era o mesmo, por atrito entre uma superfície móvel e uma fixa, porém utilizava cintas metálicas.  A diferença destes sistemas ficava por conta de uma peça entre a roda e a transmissão, chamada tambor. A função deste é apenas servir de superfície de contato para a cinta enquanto gira solidário a roda. Esse tipo de configuração começou a ser preferida ao invés dos freios de sapata, pois pouco a pouco os automóveis abandonavam as rodas de borracha rígida ou metálicas, para rodas calçadas com pneus com ar. Notavelmente mais confortáveis que qualquer outra roda já inventada até então.

Em 1898 a Fahrzeugfabrik Eisenach criada por Heinrich Ehrhardt, desenvolveu o Wartburg Motorcar Model 1. Seu arranjo de freio eram dois sistemas utilizando cinta nos eixos de transmissão e nas rodas traseiras. Em 1899, Daimler produziu um veículo ainda utilizando rodas de ferro calçada com borracha rígida, porém utilizando o sistema de freio por cinta. Ainda no mesmo ano, veio o Daimler Phoenix, também com rodas metálicas calçadas em borracha rígida, freios de sapatas externas diretamente na transmissão, porém acionados por pedal. Além disso, dispunha de sistema de freios por sapatas nas rodas traseiras, que também era do tipo sapatas externas. O Phoenix logo depois foi “atualizado” para receber os pneumáticos a ar. Esse pacote era uma novidade na época, uma vez que a maioria desses sistemas eram acionados manualmente.

Os freios de sapatas internas

Louis Renault patenteou um sistema de freio que originou o freio a tambor que conhecemos atualmente.

Os veículos que surgiram durante o século XIX, os chamados automóveis, possuíam motor próprio. Primeiramente utilizaram caldeiras a vapor, depois veio o motor de combustão interna (MCI), que virou padrão. Diferente das carruagens, os automóveis começavam a atingir um outro nível de velocidade. Os motores que os equipavam eram capazes de produzir mais 10 cv. Dessa forma, a pequena e garagista indústria automobilística precisava de uma nova solução para parar os seus veículos. Embora os freios com sapatas e cintas externas se mostrassem úteis, estes penalizavam o ambiente, pedestres e motoristas com ruídos desconfortáveis, emissão de detritos, manutenção constante e baixa força de frenagem. Dessa forma, um novo tipo de freio surgiu, o freio de sapatas interna ou, como é chamado atualmente, o freio a tambor.

1902 Mercedes Simplex

Curiosamente, o arranjo de freio de sapatas internas não difere em nada do conceito de freio a tambor com sapatas externas. Entretanto em 1902, com o visionário Louis Renault , surgiu o primeiro tipo de freio automotivo que viria a se tornar padrão, o freio de sapatas internas. Esta tecnologia possibilitou maiores torques de frenagem, uma vez que conta com o efeito auto-energizante de uma das sapatas. A auto-energização é o aumento da força de frenagem devido a um momento que faz a sapata girar mais fortemente contra o tambor. Isso gera mais atrito e permite ao freio um ciclo de amplificação que pode tender ao infinito [4]. O Mercedes Simplex de 1902 foi um veículo que utilizou esse arranjo de freio combinado com um freio de cinta no eixo de transmissão. O freio de sapatas internas era acionado por pedal, e efetuava a operação das sapatas através de cabos metálicos. Em 1920 os automóveis já eram lançados com o freio de sapatas internas nas quatro rodas, acionados por cabos metálicos e alavancas. Uma configuração robusta e barata de se fabricar. Contudo, o freio de sapatas internas ainda apresentava os mesmos problemas dos freios antecessores, ruídos, detritos e manutenção. Por outro lado, eram mais longevos em termos de manutenção e fáceis de acionar devido a auto-energização da sapata.

O acionamento hidráulico dos freios e os primeiros auxílios

Embora os freios acionados por meio mecânicos, como cabos e alavancas, fossem de certa confiáveis, estes requerem constantes intervenções técnicas. A ligação mecânica entre o freio e o dispositivo de acionamento deste, sendo pedal ou manual, permitia que vibrações se propagassem até o condutor. Além disso o efeito do acionamento possuía uma equalização desbalanceada, acionando mais uma roda do que a outra. Some à isso a própria desigualdade gerada nas forças de atrito em cada freio, então tem-se um sistema com frenagem desbalanceada. 

Por volta de 1919 apareciam os primeiros sistemas de freios hidráulicos, derivados de sistemas aeronáuticos criados por Malcolm Lougheed (futura Lockheed) que foram um grande avanço, pois reduziam drasticamente a força de aplicação que o motorista deveria realizar para poder brecar efetivamente. A patente automotiva surgiu no mesmo ano, porém pela Hispano-Suiza.  Em 1926 o Adler Standard foi o primeiro carro europeu a utilizar um sistema de freios com acionamento hidráulico. Poucos anos depois, em 1928, surgia o Pierce Arrow, o primeiro carro de produção a utilizar um servofreio a vácuo, também conhecido hidro-vácuo. 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.

Embora esses sistemas se mostrassem muito competentes, levou um tempo para que a indústria os adotassem em definitivo. O próprio Beetle (Fusca) demorou muito até ter seu sistema de freio mecânico convertido para um sistema hidráulico, pois acreditava-se que as mangueiras do sistema hidráulico não suportariam a pressão de operação do sistema. Esta era uma preocupação da indústria nesse momento e outras marcas, como a Ford, também mantiveram o sistema mecânico de freio até que a tecnologia dos freio hidráulico estivesse realmente estabelecida. Ninguém queria se arriscar tanto.

Os freios a disco

Curiosamente, em 1902 também era registrada a patente de uma engenhoso sistema de freio, que utiliza um disco como peça móvel. A fábrica britânica Lancaster lançou a patente de um freio que apenas viria a ser utilizado mais de 50 anos depois. Em 1955 a Citroën lançou o DS 19, um carro muito a frente de seu tempo e que se tornou o primeiro automóvel de produção em massa a utilizar um freio derivado do utilizado pela indústria aeronáutica [1]. Mais tarde, em 1959 a BMW lançou o 502 com freios a disco nas rodas dianteiras e freios a tambor nas rodas traseiras. Em 1961 surgiam os primeiros carros com freios a disco nas quatro rodas, o Mercedes 300 SE, o Lancia Flavia e o Fiat 2300. Também foi nos anos 60, que já apareciam os primeiros veículos pesados utilizando sistema de freios a disco em todas rodas [3]. Os tradicionais ônibus britânicos, de aplicações urbanas e rodoviárias, que anteriormente utilizavam sistema de freio a tambor, foram equipados com freios hidráulicos a disco nos eixos dianteiros e traseiros. Os ônibus da Birmingham and Midland Motor Omnibus Company Limited (BMMO) S14 e CM5 possuíam essa configuração, com uma distribuição de frenagem 50/50 e peso bruto de 7,9 e 9,7 toneladas, respectivamente. 

Já na década de 70, veículos populares começavam a serem oferecidos com sistema de freio a disco nas rodas dianteiras, além de utilitários considerados leves de 1,8 a 3,5 toneladas [3]. Em 1974 já apareciam os primeiros carros de Fórmula 1 com freios a disco fabricados em compósitos de fibras de carbono [1]. Na década de 1980 os programas de desenvolvimento de veículos já, praticamente, desconsideravam o freio a tambor nos eixos dianteiros, mesmo em veículos populares. Nesse momento, o freio a disco passou a ser fabricado em larga escala [3].

O freio à disco foi um marco na indústria automotiva. Mesmo que ainda apresentasse o tradicional problema de ruído e emissão de detritos, o sistema possui manutenção mais rápida e fácil, forças de frenagem balanceadas entre as rodas e rápida dissipação do calor adquirido nas frenagens. Essas vantagens colocaram o sistema como padrão na indústria automobilística. Entretanto, seu maior custo de fabricação e desgaste mais rápido em relação ao tambor, fez com que este fosse aplicado primeiramente no eixo dianteiro dos veículos. A partir da década de 1950, inciou-se o estabelecimento de uma configuração padrão de sistema de freios automobilísticos. No caso, freio a disco nas rodas dianteiras, tambor nas rodas traseiras, todos acionados por um circuito hidráulico e auxiliados por um servofreio à vácuo.

A chegada da eletrônica nos sistemas de freios

Em 1978 os componentes eletrônicos finalmente exerceram seu maior impacto nos sistemas de freios automobilísticos. O freio ABS, antilock braking system, ou simplesmente sistema de freio anti bloqueio foi desenvolvido pela Bosch em parceria com Daimler. Sua primeira aparição ocorreu em 1978 com Mercedes Benz Class S W116. Contudo, apenas começou a ser utilizado de série nos veículos Mercedes Benz em 1984. Este sistema foi uma grande passo para a tecnologia automobilística pois possibilitou um aumento significativo na amplitude de funções de um sistema de freio. Pois este passava a ser não apenas um dispositivo de segurança para reduzir velocidade ou parar o veículo. Agora o freio passa a exercer um papel no comportamento dinâmico do automóvel. Como disse Day, A. (2014), o ABS colocou definitivamente os freios dentro da segurança ativa de automóveis.

O ABS possui uma ECU, sensores e atuadores próprios. Este sistema é capaz de detectar a propensão de cada roda ao travamento e prevenir que esta situação ocorra. Com a constante evolução de processadores eletrônicos, não tardou para que este sistema englobasse novas funções. Ficou claro que esse sistema possuía muito mais a oferecer, além de evitar o deslizamento das rodas durante uma frenagem [2]. Em 1986, também pela Bosch, chegava o TCS, Traction Control System, baseado no ABS. Este sistema utilizava a base de hardware e software do ABS para efetuar controle de velocidade das rodas, impedindo que estas girassem em falso perdendo tração quando o veículo encontra-se em situações críticas. O EBD, ou Electronic Brakeforce Distribution, chegou em 1993 e também foi uma inovação possível derivada do ABS. Esta função distribuía a força de frenagem para cada roda de acordo com a sua situação, adaptando-as a suas condições de aderência [2]. Finalmente, em 1995 a Bosch lançava o sistema de controle de estabilidade, o ESP ou Stability Control Program. O ESP basicamente era um função nova do ABS mais moderno no qual combinava as funções ABS e TCS para auxiliar mais incisivamente no comportamento dinâmico do veículo. Por exemplo, em condições de perda de controle em curvas, o sistema atuaria não apenas impedindo o travamento das rodas, mas também atuando separadamente em cada roda visando trazer o veículo de volta ao controle do condutor.

Os freios regenerativos

A história mostra que desde o início dos primeiros meios de transporte por rodas, os dispositivos de controle de velocidade e parada sempre utilizaram o atrito entre um peça giratória e uma fixa. Day (2014) pontua que muitas outras formas de redução de velocidade foram utilizadas, como arrasto de objetos no parte traseira do veículo, freio motor em veículos pesados e freios aerodinâmicos utilizados em veículos de alto desempenho. Entretanto, percebe-se que nenhum desses métodos substituiu ou melhorou permanentemente o funcionamento do sistema de freios. O funcionamento desse sistema é, basicamente, transformar a energia cinética do veículo em energia calorífica e dissipá-la no ar atmosférico. Percebe-se que há, de uma certa forma, uma poluição do ambiente e uma energia dissipada, que poderia ser reaproveitada. De fato, os freios à fricção geram incômodos comprovados, como emissão de detritos, ruídos desconfortáveis e a geração de calor. Dessa forma, abre-se um novo capítulo na história dos freio automobilísticos, que é freio regenerativo [2].

Com a crescente aplicação de trens de força elétricos e híbridos, esse energia dissipada e perdida pelo sistema de freio passou a ser reaproveitada. Motores elétricos de veículos elétricos e híbridos passam a atuar como geradores durante reduções de velocidade, para converter a energia cinética da massa e velocidade do veiculo em energia elétrica. Esta é armazenada nas baterias para ser reutilizada. Entretanto, o sistema regenerativo e o sistema de freio por atrito devem, por enquanto, permanecerem em conjunto no veículo. Isso ocorre pois nem sempre o torque produzido pelo motor elétrico durante a regeneração é suficiente para uma frenagem, mas auxilia não apenas na carga sobre o sistema de freio, como na autonomia do veículo.

Referências

  1. Reif, K. BOSCH: Brakes, Brake Control and Driver Assistance System: Function, Regulation and Components. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2014;
  2. 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;
  3. Iombriller, S. F. Análise Térmica e Dinâmica do Sistema de Freio à Disco de Veículos Comerciais. Escola de Engenharia de São Carlos, 2002.
  4. Dalto, G. R. N. Modelagem para simulação e análise numérica do fenômeno stick-slip em freios a disco. Universidade Federal do Ceará, 2019;
  5. Mehrdad, E. Gao, Y. Gay, E. S. Emadi, A. Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles. Fundamentals, Theory and Design. CRC Press, 2005.

Referência das fotos

  • https://mercedes-benz-publicarchive.com/marsClassic/en/instance/ko/Benz-Patent-Motor-Car-1886—1894.xhtml?oid=4373
  • http://www.transreporter.com/quick-read/panorama/daimler-1885-1933;
  • http://www.motorbase.com/picture/profile/2005/03/28/1899-cannstatt-daimler-phoenix-1/
  • http://midlandred.net/vehicles/photograph/display.php?operator=bmmo&type=c5&fleet=4809&image=2;
  • http://midlandred.net/vehicles/photograph.php?operator=bmmo&type=s14&fleet=4704&image=1;
  • https://pt.wikipedia.org/wiki/Lockheed_SR-71_Blackbird;
  • https://www.supercars.net/blog/1955-citroen-ds19/;
  • https://br.pinterest.com/pin/11681280253877672/;
  • https://journal.classiccars.com/2015/10/21/pick-day-1961-lancia-flavia-pf/;
  • https://www.autoevolution.com/cars/fiat-2300-saloon-1961.html#agal_1;
  • https://pt.wikipedia.org/wiki/Louis_Renault_(industrial);
  • https://myautoworld.com/mercedes/history/cars1886/1902-40hp-Simplex/1902-40hp-simplex.html;
  • https://auto-zer.com/photo/adler-standard-6/05/default.html;
  • https://car-from-uk.com/sale.php?id=60949&country=us.