O que são os ruídos emitidos pelos freios dos automóveis e por que ocorrem ?

Em geral, os sons provenientes do atrito são transientes e instáveis. Estes emanam de cada componente do par de atrito ou do sistema. No caso de um sistema de freios, os sons são oriundos das pastilhas e do disco, ou das lonas e do tambor. Assim, as forças geradas se propagam a partir destes [8]. Akay (2002) diz que em alguns casos, uma radiação transiente surge da súbita deformação de superfícies próximas às áreas de contato, o que podem vir acompanhadas de ondas desenvolvidas dentro dos componentes.

O movimento entre os componentes do sistema de freio é, basicamente, o deslizamento. Segundo Akay (2002), esse deslizamento ocorre sob a transição entre o contato contínuo e o contato transiente, sendo este, a fonte muitos problemas de vibração em freios, como como o squeak e squeal. Para o acoplamento entre dois componentes com geração de atrito, Akay (2002) diz que isso é um contato de atrito, e que a variação das forças geradas na interface onde ocorre o deslizamento resulta em radiações sonoras e vibrações. É a partir deste ponto, que começa uma importante diferença nos problemas de vibrações e ruídos de freios. A priori, é de vital importância entender o que são os problemas de vibração nos freio automobilísticos. A literatura [9,10] define que existem dois fenômenos diferentes no modo de falha vibração em freio automobilísticos. Existe o ruído (noise) e a trepidação (judder). 

Outro ponto de importante discussão, é a frequência com que esses problemas ocorrem. Isso se deve ao fato de que o ouvido é bastante sensível a faixa de frequências que vai de 1 a 6 kHz, em média [10]. Existem vibrações que se propagam com frequências entre 0 e 500 Hz, geralmente chamados de baixa frequência e os fenômenos designados de alta frequência, a partir de 1.000 Hz. Apesar disso, há registros de alguns fenômenos que ocorrem acima 20 kHz.

Já é de conhecimento que as forças devido ao contato variam com parâmetros como módulo de Young da lona, área aparente da lona e com a força de aplicação do freio [Inserir referências]. Akay (2002) complementa que, em casos nos quais o par de atrito está fixado a outros componentes, a resposta de todo o sistema pode alterar a interface do par de atrito. Consequentemente, o sistema pode apresentar saídas acústicas. Isso é observado nos sistemas de freios dos automóveis, quando as vibrações do par de atrito se propagam para os demais componentes ali instalados, como backing plate e os braços de suspensão (Xinchao, 1993; Fieldhouse, 2001; Lee, 2001; Ioannidis, 2002; Kung, 2004; Bakar, 2009; Zhou, 2008).

Além da variação dessas forças de contato, Akay (2002) diz que as ondas e oscilações geradas por estas são desenvolvidas durante o deslizamento. Contato fracos possuem efeitos em determinados pontos da interface de contato, estes produzem respostas nas frequências naturais de cada componente do freio e independente destes. Akay (2002) salienta que esses contatos, quando em superfícies ásperas, produzem leves impulsos, gerando também, as frequências naturais de cada componente.

Existem diversas situações de contato do par de atrito, porém pode-se resumi-las em contatos fracos e fortes. Essas denominações estão ligadas as forças que agem para manter os componentes em contato. Situações onde as forças de contato são fracas, se as superfícies forem muito rugosas, pequenos impulsos são gerados produzindo uma reação na frequência natural dos componentes [8]. Poderíamos citar peças de acabamento dos veículos ou o contato entre os chicotes elétricos dentro do painel, como exemplo. Entretanto, em aplicações onde há fortes condições de contato, como por exemplo, sistemas de freio, Akay (2002) diz que a influência das forças de contato vão além das interfaces e do atrito. No caso, o atrito entre componentes torna o sistema acoplado produzindo uma resposta complexa e não linear. Dessa forma, as instabilidades desenvolvidas frequentemente resultam em uma condição chamada de lock-in (em inglês) mas podemos dizer, acoplado. No qual o modo instável de um componente coincide com o outro, gerando o que chamamos de acoplamento modal. Nessa situação, os componentes acoplados respondem a apenas suas frequências naturais e harmônicos. O desenvolvimento deste modo dependem de parâmetros como força, velocidade e geometria de contato. Percebe-se, então, que não apenas o atrito gerado no par de atrito é o causador.

Os  ruídos de freio são denominados, dentro meio acadêmico, como ruídos induzidos por atrito. A partir disso é possível perceber que, talvez, não exista uma solução definitiva para esta problemática, uma vez que esta surge devido a atrito necessário para o sistema de freio funcionar. Dessa forma, os ruídos induzidos por atrito ainda são um dos maiores problemas enfrentados pela indústria automobilística [1], pois os índices de garantia referentes a ruídos de freios ainda são elevados.

Trepidação (Judder)

O judder é uma vibração forçada onde sua maior característica é ser originada de uma não-uniformidade cíclica no componente móvel do par de atrito [10]. Isso resulta em pulsações entre a pastilha de freio e o disco, por exemplo. Embora se manifeste em baixa frequência (5 a 150 Hz), estas são múltiplos da velocidade da roda [8]. Assim como muitos outro problemas de vibração me freios, sua principal causa é a distribuição da pressão de contato não-uniforme. Entretanto, a razão da não uniformidade na distribuição está ligada a fatores de qualidade de projeto, como tolerância dimensional, rugosidade do material e processos de fabricação. Sendo assim, a trepidação ou judder não é um problema de vibração de freio de origem dinâmica, embora se agrave com o aumento da velocidade da roda.

Um dos motivos que tornam esse ruído um incômodo, é o fato deste se propagar pelo sistema de direção do veículo e, também, pelo chassi [10]. Apesar de ser audível, seu incômodo maior é devido sensação desconfortável de vibração. Muitas literaturas abordam outras terminologias para o judder, Canali (2002) sumarizou estas em sua pesquisa. Descrever cada uma tornaria este trabalho ainda mais extenso, uma vez que o foco do estudo é o squeal. Apesar disso, os seguintes termos podem ser também caracterizados como judder:

  • Variação de torque de frenagem (Brake torque variation);
  • Variação da espessura do disco (Disc thickness variation);
  • Deformação térmica;
  • Pontos duros (Hot spots);
  • Instabilidade termoelástica (Thermo elastic instability);
  • Ressonância da suspensão.

Entretanto, todos essas denominações se encaixam em duas classificações do judder. Canali (2002) diz que estas são com relação a temperatura e a frequência. Os fenômenos de judder devido a temperatura são denominados cold judder e o hot judder [9,10].

Trepidação a frio (Cold judder)

O cold judder é assim denominado pois ocorre durante acionamentos do freio em condição de baixa temperatura. Nesse caso, uma temperatura abaixo do necessário para deformar ou modificar a estrutura do par de atrito, em geral em torno dos 100º C. Em freio a disco, a principal causa do cold judder é o contato não-uniforme durante os períodos sem aplicação dos freios [10]. Isso gera não apenas uma vibração cíclica, mas também um desgaste excessivo da pastilha de freio. Segundo Crolla e Lang (1991), os principais fatores que levam ao cold judder são:

Tolerância dimensional do disco, cubo de roda e rolamentos associados, resultando em uma folga excessiva do disco. Este tipo de problema se apresenta em veículos de maior quilometragem. Retentor do pistão do cáliper de freio, no qual não promove o correto retorno das pastilhas ou sapatas de volta a posição de repouso. Dessa forma, o material de atrito permanece parcialmente em contato com o disco ou tambor, produzindo uma vibração cíclica. Além disso, gera desgaste prematuro e superaquecimento no material de atrito, podendo alterar as características deste fazendo o perder desempenho. Essa problema é muito comum em sistemas de freios a disco, com cáliper do tipo flutuante. Os pinos por onde deslizam a parte flutuante do cáliper, geralmente por negligência de manutenção, passam a ter um atrito incomum, se opondo ao livre movimento desta parte. Assim, a pastilha de freio alojada na parte flutuante do cáliper não é devidamente pressionada contra o disco, gerando contato não-uniforme.

Trepidação a quente (Thermal judder)

O hot judder é o termo usado se referir aos fenômenos de judder que ocorre durante operação dos freios quando acima de 100° C e em condições de alta velocidade do veículo e baixa pressão de frenagem. Este judder é um pouco mais crítico, pois as deformações são mais pronunciadas. A baixa pressão de acionamento dos freios não garante um contato uniforme do material de atrito contra o rotor. dessa forma ocorre uma deformação térmica do rotor [10]. Ovalização, no caso tambor, e deformações na superfície de contato, em discos de freio. Além disso, pode resultar em pontos quentes na superfície de contato do rotor. Esses pontos são transformações localizadas que ocorrem no ferro fundido cinzento em determinada temperatura. A perlita se transforma em martensita, que tem maior densidade e rigidez que a perlita [9,12]. Dessa forma, os pontos críticos gerando pulsações cíclicas, que aumentam de acordo com o ganho de velocidade da roda.

Trepidação de alta e baixa ordem (High and low order judder)

Por estar, também, relacionado à frequência [9,12], o judder é um fenômeno no qual sua intensidade aumenta conforme a velocidade da roda cresce [9]. Dessa forma, mais duas variações do judder podem ser discutidas, o judder de baixa ordem (low order judder) e o judder de alta ordem (high order judder). Canali (2002) diz que o judder de baixa ordem ocorrem em frequências entre 1 a 2 vezes a frequência da roda instável (10 a 50 Hz). O judder de alta ordem possui a frequência de vibração multiplicada pela quantidade de pontos duros encontrados no rotor (6 a 20). Apesar dessas classificações serem bastante específicas, existem, ainda, alguns judders que são associados ao efeito percebido pelo condutor. No caso, o nible, que é uma vibração rotacional do volante de direção, o shake, que é um vibração lateral ou longitudinal (em relação ao veículo) e a pulsação do pedal de freio ao ser acionado. Este é último é muito comum quando o rotor encontra-se empenado, pode ser percebido devido as intermitentes interferências entre o disco e a pastilha.

Ruídos de freio (brake noise)

Dentro da área automobilística existe uma grande variedade de ruídos, maioria deles extremamente desconfortáveis. É inviável classificar todos esses ruídos. Entretanto, dentro da indústria e da área acadêmica responsável pela pesquisa na área automobilística pesquisadores e engenheiros focam em três ruídos induzidos por atrito: Squeal, squeak and creak [Elmaian et al., 2013].

Crolla e Lang (1991) explicam que o ruído é uma vibração auto-excitada ou uma instabilidade dinâmica de um corpo. A sua principal característica é a superposição da energia do mecanismo gerador do fenômeno com a reação do sistema de freio. Quando isso ocorre, a amplitude de vibração continua a crescer no tempo de forma indefinida. A origem do ruído de freio vem do contato entre rotor e estator. Entretanto o freio automobilístico está conectado as peças de outros sistemas, como suspensão, direção e transmissão. Dessa forma, a amplitude de vibrações do sistema de freio automotivo é ampliada, devido às condições de operação dos freios, pela grande energia transferida através do atrito e pela quantidade de componentes do sistema de freio e das ligadas a este.

Na literatura de projetos mecânicos freios e embreagens são considerados máquinas semelhantes, onde sua única diferença encontra-se no fato dos freios possuírem um componente fixo e um rotativo [2]. As embreagens, por sua vez, possuem dois componentes rotativos. Nestes, esse par de componentes é chamado de par de atrito. Quando o freio é acionado, o motorista está ativando um sistema mecânico e hidráulico que pressiona as pastilhas de freio contra o disco de freio. No caso do freio a tambor, o procedimento é o mesmo, porém são sapatas (ler artigo sobre o freio a tambor) que são ativadas, pressionadas contra a superfície interna do tambor.

Em condições ideais, as pastilhas e as lonas seriam pressionadas contra o disco e o tambor, respectivamente, gerando um coeficiente de atrito constante, área de contato e propriedades dos seus materiais, uniforme. Os componentes de contato do freio sofrem forças normal e tangencial na sua interface. Contudo, essas forças enquanto uniformemente distribuídas no contato estático, tornam-se não uniformemente distribuídas durante o movimento relativo entre os componentes [8].

O objetivo desse sistema é absorver a energia devido ao movimento do veículo, que é chamada de energia cinética. Essa energia cresce com o quadrado da velocidade, conforme equação abaixo:

E = 1/2 (mV²)

Grande parte da energia cinética do veículo é convertida 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. 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 [8]. Segundo Akay (2002) sistemas de freios automotivos e ferroviários conseguem produzir frequências muito altas (acima 1.000 kHz).

Assim, se queremos reduzir a velocidade do veículo, o sistema de freio deste estar dimensionado para lidar com uma absorção de energia que supera em cerca 4 vezes a potência do motor do automóvel. O freio é projetado para absorver esse energia através do atrito entre o par de atrito que transforma a energia cinética do veículo em energia calorífica. Entretanto, em um sistema real, uma fração da energia absorvida não é convertida em calor e acaba se transformando em energia mecânica, em outras palavras, vibrações. A partir disso, os ruídos começam.

Mecanismos

A fração de energia não transformada em calor transforma-se em vibrações que podem ser gatilhos para os ruídos de freios. Contudo, existem alguns mecanismos teóricos que explicam a manifestação dessa energia mecânica em vibrações e ruídos. Três mecanismos foram propostos e discutidos ao longo de décadas de estudo sobre vibrações, ruídos, acústica até serem relacionados aos problemas de freios com relevante acurácia, são estes[3]:

  • Stick-slip;
  • Sprag-slip;
  • Modal coupling.

Stick-slip

O termo stick-slip significa gruda-desliza e, basicamente, traduz o que ocorre no seu esquema teórico, onde têm-se um corpo de massa conhecida em repouso sobre uma esteira. Esse corpo está conectado a um mola de rigidez também conhecida. Ao ser ativada a “esteira” essa começa a deslocar o corpo, que por sua vez estica a mola. Em determinado ponto, a mola atinge o seu limite de deformação, e o corpo começa a ser puxado por esta. Nesse momento, o corpo passa a desliza sobre a esteira, até que a força de atrito devido ao contato entre corpo e esteira passa puxar, novamente, o corpo junto a esteira. Essa transição de estado, ora grudado, ora deslizando, ocorre sucessivamente gerando uma vibração. De maneira resumida, quando esta teoria é modelada em um sistema de freio, a pastilha ou sapata é o corpo arrastado, enquanto que o disco ou tambor é a esteira.

O stick-slip é um mecanismo de origem tribológica [1], ou seja, está muito ligado as características dos materiais utilizados no par de atrito. A principal causa desse fenômeno é a diferença entre o coeficiente de atrito (CA) estático e o coeficiente de atrito dinâmico [1]. Em suma, o primeiro determina a força necessária para o corpo vencer a força de atrito e deslizar sobre a esteira. O segundo determina a força necessária para que este permaneça em deslizamento. Em geral, o CA estático é maior que o CA dinâmico.

Sprag-slip

Diferente do stick-slip, o sprag-slip é um mecanismo que surge na interface de contato do par atrito, sendo então muito dependente das característica desta. Assim, o sprag-slip está intimamente ligado a geometria desses componentes. Além disso, como a deformação dos componentes do par de atrito também altera a interface de contato, o sprag-slip também tem conexões fortes com as características dos materiais utilizados nesses componentes. O motivo da instabilidade gerada por este mecanismo é, que a alteração geométrica dessa interface gera pontos com diferentes forças tangenciais e normais, gerando instabilidade, logo, vibração.

Modal coupling

O termo em inglês significa acoplamento modal. Modal é um termo usado para se referir a modos de vibração, quando um componente vibra, ele se deforma. Contudo, um corpo ao vibrar pode se deformar de diversas formas, a estas chamamos modais. Dessa forma, o acoplamento modal é quando um modo de vibração se sobrepõe ao outro, ampliando a vibração do sistema podendo gerar ruídos, e em caso de acoplamento modal em frequências naturais, pode levar ao colapso de um sistema. O acoplamento modal é o mecanismo mas difícil de se controlar, uma vez que este ocorre mesmo com coeficiente de atrito constante [1], o que também é muito complicado de ser obtido em um sistema real. Isso significa que este mecanismo ocorre sem distinção do tipo de perturbação que o sistema sofre, ou seja, o sistema pode estar instável devido ao stick-slip ou sprag-slip, ou os dois, e sofrer acoplamento modal. Dessa forma, determinando que tipo de ruído o freio irá emitir quando instável [3].

No freio do automóvel o acoplamento ocorre quando, ao ser acionado, os componentes do freio vibram e dois de seus modos se acoplam transferindo suas energias mecânicas através das vibrações sobrepostas [3]. Análise feitas por espectrometria a laser são capazes de mostrar como os componentes de freio, em especial discos e tambores, vibram quando emitem ruídos. Em geral, as deformações dessas vibrações são in-plane e out-plane, e quando o freio emite ruídos, estes tipos estão acoplados, ou seja, deformações que ocorrem simultaneamente. Uma deformação é dita in-plane e out-plane, quando a superfície do componente se deforma para dentro de sua estrutura. Quando esses modos de vibração estão acoplados, significa que em posições simétricas, ocorre uma deformação para dentro e outra para fora da superfície do componente. Um fenômeno de vibração que apresenta essa característica, de acoplamento entre modos, é o squeal, o tradicional ruído de ônibus freando enquanto chega na parada.

Causas

Os mecanismos citados no tópico anterior no ocorrem por acaso, existem variáveis que motivam o funcionamento desses mecanismos. Em geral, este ocorrem devido a origens tribológicas e estruturais do componentes do freio, especialmente do par de atrito. Dessa forma, diversos parâmetros podem ser levantados para definir as causas dos ruídos em freios automotivos. Abaixo está uma pequena seleção dos parâmetros mais importantes de acordo a literatura acerca deste tema.

  • Módulo de elasticidade – [E];
  • Coeficiente de atrito – [μ];
  • Distribuição de pressão de contato;
  • Desgaste;
  • Temperatura – [T].

Módulo de elasticidade

Também chamado de módulo de Young (E), este parâmetro é uma relação entre a pressão sofrida pelo material e sua posterior deformação, resumidamente. No ferro fundido cinzento, material mais utilizado nos freios automobilísticos de veículos comerciais, o módulo de Young é definido pelo percentual de carbono (CE) na formulação do material. Para não se estender em um tópico tão profundo, a quantidade de carbono define o quanto de grafita terá na estrutura do ferro fundido cinzento. A grafita concede a esta variação de ferro fundido uma capacidade de amortecimento única, motivo pelo qual é utilizado nos freios e em bases de motor. O problema é que a grafita provoca concentração de tensão devido ao ser formato na estrutura, os chamados flakes. Assim, do mesmo jeito que se obtém uma ótima absorção das vibrações, se perde em resistência a tensões variadas, e não raro é possível ver componentes literalmente trincando e entrando colapso. Isso é o que torna o módulo de Young um parâmetro complexo para se definir na escolha de um material, é um compromisso entre atenuação de vibração, resistência e durabilidade.

Em geral, um tambor com mais amortecimento (menor E) provoca uma redução nas frequências naturais do disco ou tambor de freio, por exemplo [4]. Por outro lado, um rotor mais rígido também auxilia no aumento das frequências de instabilidade, aquelas onde ocorrem os ruídos, e isso evita que as vibrações no sistema ocorram mais facilmente. Embora os experimentos já realizados mostrem que o aumentar E pode benéfico ser, trata-se uma alteração que deve ser feita com critério, dada as consequências no componente em termos de resistência a fadiga mecânica e térmica [4]. Além disso, nem sempre rotores com materiais de alto E representam vantagens, no caso da distribuição de pressão não há mudanças significativas [5].

Tirovic e Day (1991) sugerem que deve haver uma conciliação no módulo de Young da pastilha de freio (o mesmo vale para as lonas de freio). Embora materiais suaves sejam preferíveis, o projetista deve considerar que este componente deve satisfazer outros requisitos, como alto coeficiente de atrito, resistência ao desgaste, fadiga mecânica e térmica.

Desgaste

O desgaste é uma das causas, de instabilidade dinâmica em freios de atrito, mais complexas pois está ligado a outros fatores de díficil controle como temperatura e pressão. Tirovic e Day (1991) sugerem que no contato entre estator e rotor, as zonas de alta pressão e temperatura resultam em maior desgaste, gerando assim uma diferença de desgaste na área de contato. Isso resulta em uma variação da distribuição de pressão e por conseguinte, picos concentrados de alta temperatura e pressão podem levar ao colapso do material se utilizados dessa forma a longo prazo [5].

Distribuição de pressão de contato

Mesmo que visivelmente o uma pastilha ou uma lona de freio esteja perfeitamente em contato com a superfície do rotor, a distribuição de pressão sobre a área do estator não é perfeita, uniforme. A distribuição de pressão entre estator e rotor é um dos fatores primários no qual o desempenho geral de um sistema de freio atrito, seja este automotivo, ferroviário ou até mesmo um dispositivo de segurança, depende. Tirovic e Day (1991) sugerem que a pressão de contato no par de atrito ocorre em três níveis. O primeiro nível é a variação da pressão sobre área de atrito devido a deformação gerada nos componentes do par de atrito expostos as forças de aplicação. Em outras palavras, é a deformação de sapatas e pastilhas de freios devido a força provocada pelo pistão do cilindro de freio, que deforma esses componentes. O segundo nível de variação está relacionado com a variação macroscópica da superfície da interface de pressão, que tem área limitada devido, também, a distorções das superfícies de atrito. O terceiro nível é a variação da interface de atrito devido a fatores de escala microscópica, como rugosidade do material, por exemplo. Esse nível é muito dependente das características tribológicas do material usado nos componentes do par de atrito.

Dessa forma, a distribuição de pressão está intimamente ligada a características dos materiais do par de atrito e adjacentes, como dizem Tirovic e Day (1991). Em suas análises observado correlações relevantes entre o módulo de Young de uma pastilha de freio e seu backplate. Para freios a tambor, isso é o equivalente ao módulo de Young da lona e da sapata. Uma vez que se estes componentes se deformarem, a distribuição da pressão de contato altera-se. Além disso, a geometria desses componentes e dos mecanismo de atuação do freio também tem influência nessa distribuição, uma vez que há diferenças entre as pinças flutuantes e fixas e os freios a tambor simplex e duplex. O desenho das superfícies dos estatores atualmente apresenta bordas arredondas e até ranhuras, que ajudam na uniformização da distribuição de pressão e até mesmo, na emissão de ruídos de freio.

Ruídos de freio são uma das maiores preocupações em freios automobilísticos, uma vez que o trem de forças desses veículos tem ficado cada vez menos ruidosos, além de estarem a passando por uma atualização e se tornando híbridos ou totalmente elétricos. A distribuição de pressão surge como um fator importante nessa problemática, pois a sua variação resulta em variações da força de atrito ao longo da área de contato (real), e essa variação é causa de um dos mecanismos de ruído, que é o sprag-slip [5].

Temperatura

Os componentes do par de atrito estão, sempre, sujeitos a um alto estresse térmico. Quando isso torna-se além das capacidades do material, distorções e extensões do material menos resistente termicamente levam a uma variação da pressão de contato. Essas variações macroscópicas são muito nocivas a longo prazo e também pode levar ao colapso dos componentes [5,6]. Entretanto, o aumento de temperatura pode ocorrer tanto por uso inadequado do sistema, como por problemas no material e desgaste, todos estes fatores que alteram a distribuição de pressão na interface estator-rotor e levam a uma condição instável, logo ruídos.

Ruídos induzidos por atrito no automóvel

Akay (2002) foi um dos muitos pesquisadores que sumarizou os mais variados ruídos e vibrações em freios automobilísticos, mais de 25 designações foram realizadas. O gráfico acima ilustra não apenas os principais ruídos do sistema de freio, como também a frequência nos quais ocorrem. Apesar disso, ainda não há uma determinação segura da designação dos ruídos de freios, posto que alguns autores não se atém a muitas designações. Canali (2002), por exemplo, cita apenas três designações básicas. O que se mostra suficiente, de certa forma.

Crédito foto: Akay, 2002.

De acordo com o gráfico, existem muitas denominações. Para um melhor melhor abordagem, será dividido em duas amplitudes de frequência. De 0 a 1.000 Hz, que engloba eventos vibratórios considerados de baixa frequência (10 e 100 Hz) [8], como  grunt, hum, groan e moan. Canali (2002), nessa mesma faixa de frequência, menciona os ruídos de Judder, inclusive. Na faixa de frequência a partir de 1.000 Hz, estão os fenômenos de vibração mais importantes, pois são os mais desconfortáveis para a audição humana, o squelch, squeak e squeal [8,9]. Entrentanto, é importante mencionar alguns fenômeno de vibração e ruído em carater informativo.

Chatter

Esse termo é uma denominação corriqueira para vibrações e ruídos que ocorrem em baixa frequência, porém sem o conhecimento de suas causas bem definidos [Canali, 2002].

Crunch

Esse fenômeno ocorre, geralmente, após frenagens que geram altas temperaturas, ou seja, em velocidades elevadas ou com tempo de acionamento dos freios longo. O mecanismo stick-slip é o responsável por gerar esse tipo de vibração [Canali, 2002].

Cree-Groan

O creep-groan é um fenômeno de vibração de baixa frequência também gerado pelo mecanismo stick-slip. Talvez este seja a vibração de baixa frequência mais importante depois do squeal. Isso se deve as suas características como, por exemplo, ocorrer na transição de veículo parado e saindo da inércia. Condição corriqueira nos centros urbanos. 

Apesar de ocorrer em baixas velocidades, o fenômeno não se multiplica com a velocidade. Na realidade, o creep-groan está mais ligado ao contato do par de atrito e das características das peças da suspensão [Canali, 2002]. Além disso, esse ruído é motivado por condições de baixa de temperatura, dos freio e do ambiente, e de grande umidade.

Canali (2002) destaca que esse fenômeno é facilmente percebido em situações de inclinação, onde o veículo é mantido freado. No momento de sair da inércia, o leve “escorregamento” que ocorre devido ao desacionamento dos freios gera uma vibração. Uma outra situação comum de ocorrência do creep-groan acontece em veículos de transmissão automática. A prática comum dos condutores, é deixar a alavanca de transmissão na posição D enquanto o veículo está parado. Essa posição significa que o caixa de transmissão está engrenada com o motor, porém o deslizamento no conversor de torque impede o movimento do veículo. Quando o motorista começa a aliviar o pedal de freio, ocorre o escorregamento nos freios. Devido ao stick-slip os ruídos incômodos que o condutor escuta vibrações altas, resultante de estalos no par de atrito. Canali (2002) diz que os índice de reclamações de garantia por creep-groan é comum nos mercados norte-americano e asiático, onde possuem países com maior concentração de veículos com trem de força automático.

Groan

De frequência baixa, em torno de 100 Hz, o groan é um fenômeno, de certa forma, grave, pois envolve a ressonância do freio com o eixo. Também é uma vibração decorrente do stick-slip, mas que ocorre no momento de transição no final de uma frenagem para parada total do veículo. Canali (2002) diz que esta se deve a variação do coeficiente de atrito com a redução da velocidade.

Hum

Também chamado de humming, ou popularmente conhecido no Brasil como “vaia” [9], é um fenômeno ligado a instabilidades geométricas, provavelmente gerado pelo fenômeno sprag-slip. O hum ocorre em frequências que oscilam de 200 a 400 Hz é muito mais associado aos sistemas de freios a disco, embora também seja detectado nos freios a tambor. Durante a frenagem, as forças que surgem devido ao contato de atrito tendem a girar o caliper de freio em torno do seu próprio eixo. Essa ruído geralmente está atribuído a baixa rigidez torcional dos suportes do caliper. Canali (2002) diz que esse fenômeno ocorre em frenagens de baixa intensidade a altas velocidades.

Moan

Ocorrendo devido ao mecanismo de stick-slip, o moan tem o agravante de entrar em ressonância com chassi. Isso pode ocorrer através de vários componentes, como braços de direção e de suspensão, eixos e semi-eixos. A frequência do moan é baixa, até 500 Hz, mas o fenômeno ocorre em condições corriqueiras do trânsito urbano, frenagens de baixa pressão e em baixas velocidades [9]. Canali (2002) destaca que o moan é difícil de detectar, devido não apenas aos diversos fatores que levam a um ruído de freio ocorrer, mas também devido a configuração e geometria dos componentes de suspensão.

Wire brush

Esse ruído é muito comum e fácil de ser identificado, pois o som produzido lembra bastante ao de uma escova de aço sendo arrastada em metal. É um ruído de alta frequência, estando na mesma faixa que o squeak, porém sua modulação é aleatória. Segundo Canali (2002), isso é indício de que o fenômeno ocorre por superposição de oscilações com frequências idênticas mas com amplitudes diferentes. Lang et al. (1983), citado por Canali (2002), diz que o wire brush geralmente ocorre antes do squeak, sendo uma forma menos instável deste. As excitações não se distanciam tanto da condição estável, e o wire brush acaba sendo um forma amortecida do squeak.

Os principais ruídos

Após décadas de pesquisa muitas denominação de ruídos induzidos por atrito foram criadas, dentro área automobilística, seja ela acadêmica ou industrial, também surgiram diversos termos para denominar os ruídos que ocorrem nos automóveis. Ruídos de freio, de painel vibrando e até mesmo das palhetas do limpador de para-brisa foram categorizados. Contudo, diversas literaturas e artigos apontam diferentes denominações para ruídos semelhantes. Elmaian (2013) foi um dos sumarizou os principais ruídos em três categorias. Estas se baseiam na interface de contato entre os corpos, pois a forma encontrada para se determinar em estudos qual o ruído que está sendo emitido, é na variação dessa interface no tempo em que o fenômeno ocorre [1].

  • Squeal;
  • Creak;
  • Squeak.

Squeal

Também chamado de brake squeal, e não há uma tradução direta para este termo, é o mais importante ruído de freio conhecido. É conhecido pelo seu tom sonoro, geralmente em alta frequência (a partir 2.000 Hz). O timbre do squeal varia no tempo em que fenômeno se propaga, porém ocorre com frequência constante [1].

Creak

O creak é um intimamente ligado ao mecanismo de stick-slip, pois ocorre devido a transição entre o deslizamento e o agarre e vice-versa. Nesses momentos, ocorre uma liberação de energia mecânica que se manifesta como vibração. Especificamente neste ruído,  o stick-slip ocorre com uma longa fase stick, e então, uma fase slip bem curta. Uma característica do creak é o fato de ser periódico, o que levanta a hipótese de pontos críticos no disco ou tambor que levam a uma vibração a medida que este ponto passa pelas peças de atrito, pastilha e sapata, respectivamente [1].

Squeak

O squeak é um ruído muito semelhante aos anteriores, ocorre em frequência mais baixa que o squeal, motivo pelo qual muitas literaturas o abordam como  low frequency squeal (squeal de baixa frequência). Diferente do squeal, sua frequência se altera a medida que o ruído se propaga [1].

Ações de prevenção de ruídos

Diversas formas de se reduzir os ruídos de freio já foram propostas ao longo de mais de 50 anos de pesquisa e desenvolvimento. A lista abaixo mostra os principais pontos atacados por pesquisadores e engenheiros da área automobilística. De qualquer forma, todas essas mudanças buscam fatores em comum que resultam na redução dos ruídos de freio, como a diminuição da assimetria da distribuição de pressão na interface de contato, menor variação do coeficiente de atrito estático e dinâmico, redução e, se possível, negativação da parte real positiva dos autovalores complexos, além do acoplamento modal entre os componentes do sistema de freio e suspensão.

  • Alterações geométricas no material de atrito;
  • Alterações das propriedades do material de atrito;
  • Alterações geométricas do espelho e das sapatas;
  • Alterações nas propriedades do material do rotor;
  • Alterações nas características das componentes de sistema periféricos ao freio.

Alterações geométricas no material de atrito

A região de contato das peças de atrito (pastilha e lona)  foi uma das formas encontradas para busca a redução dos ruídos em freios automotivos. Com apenas uma fresta usinada em uma pastilha, dividindo a mesma em duas sessões foi possível reduzir os índices de ruídos e equalizar a distribuição de pressão [Referência]. No caso dos sistemas de freios a tambor, essa alteração é um pouco mais complicada, uma vez que grande parte do arco de circunferência formado pela sapata sequer chega a exercer uma pressão significativa nas paredes internas do tambor [5]. Contudo, pesquisas apontam que chanfros e abaulamentos na regiões extremas das lonas ajudaram a reduzir drasticamente os índices de ruídos de squeal em sistema de freios a tambor, conforme apontado na pesquisa de Abd Rahman (2013) [7].

Alterações das propriedades do material de atrito

As propriedades do material de atrito definem o quão este será capaz de suportar o estresse térmico e mecânico do contato com o tambor. Entretanto, no quesito vibrações, as propriedades do material de atrito devem garantir um bom nível de absorção de vibrações. O que torna esse material crítico, é que este pode facilmente alterar a distribuição de pressão sobre a área em contato se muito rígido. Isso resulta em mais pontos de concentração de tensão, temperatura e desgaste. É importante ressaltar, também, que a medida que lonas e pastilhas se desgastam, tornam-se mais rígidas, o que pode levar o sistema a uma condição instável.

Alterações geométricas do espelho e das sapatas

Espelho ou backplate é aquele componente no qual estão fixados as sapatas e cilindros de roda, no caso do freio a disco, é placa no qual a pastilha de freio propriamente dita está fixada. Pesquisas já indicaram que esses componentes propagam boa parte das vibrações geradas no ato da frenagem, podendo até entrar em ressonância com os componentes do freio. As alterações visam aumentar a rigidez destes para que se consiga deslocar a frequência instável destes componentes o mais distante possível da frequência natural. Além dessas modificações, as sapatas de freio, em especial, tiveram muita atenção dos pesquisadores. As principais razões eram a deformação das sapatas devido ao esforço mecânico gerado, o que altera a distribuição de pressão ao longo da lona, resultando em grande propensão a ruídos. Além disso a rigidez desses componentes não se mostrava adequada, tendo uma baixa absorção de vibração e facilidade de propagação destas ao espelho. Por essas razões é comum identificar sapatas de ferro fundido nodular ou aço, e com estrutura de baixa espessura e sessão transversal variável.

Alterações das propriedades do material do rotor

O rotor do sistema de freio (disco ou tambor) foram alvo de muitas pesquisas. O fato é que este componente está exposto a um severo estresse térmico, podendo gerar distorções e, até, ruptura do componente. O ferro fundido cinzento é o principal componente em automóveis comerciais de alta produção, contudo sabe-se das capacidades deste material, que tem limitações mecânicas importantes quando se busca a máxima absorção de vibrações. Ao longo dos anos observou-se um grande desenvolvimento de ligas especiais com ferro fundido  [11], que tem como objetivo garantir a durabilidade frente aos esforços térmicos e vibratórios.

Alterações nas características das componentes de sistema periféricos ao freio

A região onde o sistema de freios está montado é crítica. Próximo a roda, diversos componentes de sistemas importantes do veículo estão montados naquela região, por exemplo, cubo de roda, braços axiais de direção, braços de suspensão, barra estabilizadora e bieleta. Se estes componentes tiverem frequências naturais próximas as dos componentes do sistema de freio e suas frequências instáveis, é comum que ruídos e vibrações se propaguem para o chassi, ampliando o escopo do problema. Em outras palavras, um ruído de freio pode ter um modo de falha ainda maior se todo o sistema de suspensão e direção estão propagando as vibrações. Em geral, a indústria buscou desenvolver braços de suspensão com geometria variável e com materiais de melhor absorção.

Referência

  1. Elmaian, A. Gautier, F. Pezerat, C. Duffal, J.-M. (2014). How can automotive friction-induced noises be related to physical mechanisms?. Applied Acoustics, 76, 391-401. doi: 10.1016/j.apacoust.2013.09.004;
  2. Norton, R. L. Projeto de Máquinas: Uma abordagem integrada. 4. ed. Porto Alegre: Bookman, 2013;
  3. Chen, F., Chern, J. and Swayze, J. Modal Coupling and Its Effect on Brake Squeal. SAE Technical Paper Series, SAE 2002 World Congress, March 4-7, 2002, Detroit, USA;
  4. Ganguly 2007;
  5. Tirovic e Day 1991;
  6. Day e Harding, 1984;
  7. Abd Rahman, 2013;
  8. Akay, A. (2002). Acoustics of friction. The Journal of the Acoustical Society of America, Pittsburgh, Pennsylvania, 111(4), 1525–1548. doi:10.1121/1.1456514;
  9. Canali, R. J. Determinação de propriedades físicas de diferentes materiais para discos e pastilhas de freio e relação destas propriedades com ruído. Porto Alegre. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2002;
  10. Crolla, D. A. Lang, A. M. Brake Noise and Vibration – The State of the Art. Vehicle Tribology, Leeds, England, Vol.8, 165-174, 1991. doi:10.1016/S0167-8922(08)70132-9;
  11. Guesser, W. L. Baumer, I. Tschiptschin, André P. Cueva, Gustavo. Sinatora, Amilton. Ferros Fundidos Empregados para Discos e Tambores de Freio, Brake Colloquium, SAE Brazil, Gramado, RS, 2003;