Brakes Book - Mechanical Engineering - Book Freios
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PROJETO DE FREIOS
São Bernardo do Campo
2014
SUSPENSÃO E DIREÇÃO
Projeto de Suspensão e Direção, apresentado ao Centro
Universitário da FEI como parte dos requisitos necessários para conclusão da disciplina de Suspensão e Direção,
no
curso
de
Engenharia
Mecânica
Automobilística, ministrada pelo professor Dr. Carlos
Rodrigues Santos Neto.
São Bernardo do Campo
2014
Esta obra é dedicada a Deus, aos nossos pais e familiares, aos nossos professores e aos nossos amigos do grupo Havok.
A Deus, familiares e amigos.
AGRADECIMENTOS
Nossos agradecimentos são primeiramente a Deus, que nos dá sabedoria para vencer os desafios, aos nossos familiares pelo apoio e incentivo, às nossas esposas, noivas e namoradas pela compreensão e paciência, aos amigos de graduação pela amizade e companheirismo e aos professores do Centro Universitário da FEI, pelo direcionamento deste trabalho. “Procure ser um homem de valor, em vez de ser um homem de sucesso”.
Albert Einstein
RESUMO
O sistema de freios apresentado consiste em um conjunto com discos ventilados de pinças flutuantes na dianteira e um conjunto de discos maciços de pinças flutuantes na traseira. Este sistema auxiliado pelos recursos de controle de frenagem como ABS, ESP e etc. permite manter o veículo estável nas situações de frenagem dissipando a energia cinética em forma de energia térmica para que o veículo desacelere e pare no tempo e na distância desejados. O veículo equipado é um modelo compacto de uso urbano e tração dianteira onde este sistema de freios foi considerado ideal para a aplicação proposta. Desta forma foram definidos os parâmetros iniciais que servem de base para execução dos cálculos que mostram o comportamento do sistema de frenagem do veículo utilizado.
Palavras-chave: Freios. Disco ventilado. ABS. ESP. Frenagem.
ABSTRACT
The brake system is shown in a ventilated discs in conjunction with floating calipers at the front and a set of massive disks with floating calipers at the rear. This system aided by braking control features like ABS, ESP, etc.. lets keep the vehicle stable in braking situations dissipating the kinetic energy in the form of thermal energy for the vehicle to decelerate and stop in time and distance desired. The vehicle is equipped a compact model for urban use and front wheel brake system where this was considered ideal for the proposed application. Thus the initial parameters that are the basis for these calculations, which show the behavior of the braking system of the vehicle used were defined.
- Coeficiente de rigidez médio da mola traseira (⁄ )
- Distancia horizontal entre centro de molas ()
- Distancia horizontal entre centro de molas dianteiras ()
- Distancia horizontal entre centro de molas traseiras ()
- Distância entre centro de rodas ()
- Velocidade (⁄ )
- Frequência natural ()
- Frequência natural da massa não suspensa ()
- Frequência natural da massa dianteira ()
- Frequência natural da massa traseira ()
- Torque na roda ()
LISTA DE SIGLAS GREGAS
β
Δz
∆
∆
∆
μ
φ
- Coeficiente de amortecimento (⁄ )
- Ângulo de esterçamento da roda interna (°)
- Ângulo de esterçamento da roda externa (°)
- Deflexão da mola ()
- Transferência de carga lateral ()
- Transferência de carga lateral dianteira ()
- Transferência de carga lateral traseira ()
- Ângulo de rolagem (°)
- Coeficiente de atrito
ζ
- Coeficiente de amortecimento
Ɛf
- Coeficiente de esterçamento dianteiro
Ɛt
- Coeficiente de esterçamento traseiro
γf
- Ângulo de cambagem dianteiro
γt
- Ângulo de cambagem traseiro
α
- Ângulo de inclinação do pino mestre
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: - Vistas de planta com dimensões do veículo. ....................................................... 16
Figura 2: - Imagem via satélite da Praça Campo de Bagatelle na Zona Norte - SP. ......Error!
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Figura 3:
- Imagem via satélite da Alça de acesso da ponte Eusébio Matoso saindo da
Marginal Pinheiros na Zona Sul - SP. ...................................... Error! Bookmark not defined.
Figura 4:
- Imagem via satélite da Alça de acesso da Avenida Corredor ABD saindo da
Via Anchieta em São Bernardo do Campo – SP. ..................... Error! Bookmark not defined.
Figura 5:
Cotia
- Imagem via satélite da Rodovia Raposo Tavares próximo ao Km 21,5 em
SP.
.............................................................................................................................E rror! Bookmark not defined.
Figura 6:
- Imagem via satélite da Rodovia Governador Carvalho Pinto saindo da Rodovia
Pres.Dutra - SP. ........................................................................ Error! Bookmark not defined.
Figura 7: – Suspensão dianteira. ............................................ Error! Bookmark not defined.
Figura 8: – Conceito RevoKnuckle. ....................................... Error! Bookmark not defined.
Figura 9: – Roll center da suspensão dianteira. ..................... Error! Bookmark not defined.
Figura 10:
– Suspensão traseira. .......................................... Error! Bookmark not defined.
Figura 11:
– Roll center da suspensão traseira. .................... Error! Bookmark not defined.
Figura 12:
- Ponto de referência do veículo. ........................ Error! Bookmark not defined.
Figura 13: - Localização dos componentes da massa suspensa do veículo. .................Error!
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Figura 14: - Localização dos componentes da massa não suspensa do veículo............Error!
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Figura 15:
- Centro de gravidade do veículo em ordem de marcha. .................................... 18
Figura 16:
- Centro de gravidade do veículo carregado. ...................................................... 18
Figura 17:
Pneu p 205/45R17 88V ...................................... Error! Bookmark not defined.
Fonte:
www.michelin.com.br................................................ Error! Bookmark not defined.
Figura 18: defined. Gráfico de Cα em função do carregamento verticalError!
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Fonte: Fundamentals of Vehicle Dynamics (Thomas D. Gillespie)Error! Bookmark not defined. Figura 19:
– Roll axis para o veículo em ordem de marcha. Error! Bookmark not defined.
Figura 20:
– Roll axis para o veículo carregado. .................. Error! Bookmark not defined.
Figura 21:
– Razão de instalação da suspensão dianteira. ... Error! Bookmark not defined.
Figura 22:
– Razão de instalação da suspensão traseira. ...... Error! Bookmark not defined.
Figura 23:
– Sistema de direção tipo pinhão e cremalheira. Error! Bookmark not defined.
Figura 24: direção. – Esquema de posicionamento do sistema de assistência elétrica da caixa de
.............................................................................................................................E rror! Bookmark not defined.
Figura 25:
– Sistema de direção. .......................................... Error! Bookmark not defined.
Figura 26:
– Ângulos de Ackerman. ..................................... Error! Bookmark not defined.
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Ficha técnica (continua). ......................................... Error! Bookmark not defined.
Tabela 2– Ficha técnica (conclusão). ....................................... Error! Bookmark not defined.
Tabela 3 - Matriz de decisão para escolha da geometria de suspensão.Error! Bookmark not defined. Tabela 4- Localização e massa dos componentes da massa suspensa do veículo em ordem de marcha. ..................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Tabela 5- Localização e massa dos componentes da massa não suspensa do veículo. ....Error!
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Tabela 6- Localização e massa dos componentes do veículo descarregado e carregado. Error!
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Tabela 7- Posição do CG para as diversas situações de carregamento. ................................... 17
Tabela 8– Rigidez de curvatura ................................................ Error! Bookmark not defined.
Tabela 9- Resultados da variação da carga lateral em cada eixoError! defined. Bookmark
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Tabela 10– Coeficiente de atrito. .............................................. Error! Bookmark not defined.
Tabela 11– Torque na direção em ordem de marcha................ Error! Bookmark not defined.
Tabela 12– Torque na direção na condição lotação máxima.... Error! Bookmark not defined.
Tabela 13– Frequências amortecidas. ....................................... Error! Bookmark not defined.
Tabela 14– Verificação segundo Olley. ................................... Error! Bookmark not defined.
SUMÁRIO
1 SUSPENSÃO .............................................................................................................. 14
1.1 Introdução .............................................................. Error! Bookmark not defined.
2 FICHA TÉCNICA ........................................................ Error! Bookmark not defined.
3 ENVELOPE ................................................................................................................ 16
4 HIPÓTESES PARA DEFINIÇÃO DE PARÂMETROS DA SUSPENSÃO ...... Error!
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4.1 Levantamento de curvas de estradas reais e usuaisError! Bookmark not defined.
4.2 Descrição das hipóteses ......................................... Error! Bookmark not defined.
5 ESCOLHA DA SUSPENSÃO ..................................... Error! Bookmark not defined.
6 GEOMETRIA DA SUSPENSÃO ................................ Error! Bookmark not defined.
6.1 Suspensão dianteira................................................ Error! Bookmark not defined.
6.1.1 Roll center da suspensão dianteira ......................... Error! Bookmark not defined.
6.2 Suspensão traseira .................................................. Error! Bookmark not defined.
6.2.1 Roll center da suspensão traseira ............................ Error! Bookmark not defined.
8 CENTRO DE GRAVIDADE (CG) ............................................................................. 17
8.1 Referência espacial ............................................................................................... 17
8.2 Determinação do CG ............................................................................................ 17
8.3 Distribuição do peso nos eixos ............................................................................. 19
9 DEFINIÇÃO E SELEÇÃO DE PNEUS ...................... Error! Bookmark not defined.
9.1 Fatores de influência na seleção dos pneus ........... Error! Bookmark not defined.
9.2 Dimensionamento de carga .................................... Error! Bookmark not defined.
9.3 Dimensionamento quanto ao índice de velocidade Error! Bookmark not defined.
9.4 Escolha da largura da seção transversal e razão de aspecto do pneuError! not defined.
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9.5 Cálculo da rigidez de curvatura (Cα) ..................... Error! Bookmark not defined.
9.6 Razão de rolagem (Rφ) .......................................... Error! Bookmark not defined.
9.7 Rigidez de rolagem (Kφ) ....................................... Error! Bookmark not defined.
9.8 Altura do CG (h1) .................................................. Error! Bookmark not defined.
9.9 Conclusão da hipótese do limite de capotamento .. Error! Bookmark not defined.
10 GRADIENTES DE ESTERÇO .................................. Error! Bookmark not defined.
10.1 Rigidez do pneu (Ktire) ......................................... Error! Bookmark not defined.
10.2 Ângulo de rolagem (φ) ........................................ Error! Bookmark not defined.
10.3 Rigidez de cambagem (Kcamber)............................ Error! Bookmark not defined.
10.4 Rigidez do torque de auto alinhamento (Kat) ...... Error! Bookmark not defined.
10.5 Rigidez de transferência de carga lateral (Kllt) .... Error! Bookmark not defined.
10.6 Rigidez do esterçamento na rolagem (Kroll steer) ... Error! Bookmark not defined.
10.7 Rigidez do esterçamento com a força lateral (Klfcs)Error! Bookmark not defined.
11 VERIFICAÇÃO DA VELOCIDADE CRÍTICA OU CARACTERÍSTICA ..... Error!
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12 RAZÃO DE INSTALAÇÃO (R.I.) ............................ Error! Bookmark not defined.
13 DETALHAMENTO DO DIMENSIONAL DA MOLA E AMORTECEDOR . Error!
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14 SISTEMA DE DIREÇÃO .......................................... Error! Bookmark not defined.
14.1 Introdução ............................................................ Error! Bookmark not defined.
14.2 Tipos de sistemas de direção ............................... Error! Bookmark not defined.
14.3 Critério ................................................................. Error! Bookmark not defined.
14.4 Hipóteses .............................................................. Error! Bookmark not defined.
15.1 Comparativo de resultados................................... Error! Bookmark not defined.
16 RAIO MÍNIMO .......................................................... Error! Bookmark not defined.
17 PITCH E BOUNCE .................................................... Error! Bookmark not defined.
18 CONCLUSÃO ........................................................................................................... 74
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA................................................................................ 75
14
1 INTRODUÇÃO
1.1. Ficha técnica
A tabela 1 demonstra a classificação do veículo e suas características gerais.
Tabela 1-Características gerais do veículo.
Características Gerais
Tipo de veículo
Compacto Premium
Classificação do veículo
M1
Limite de passageiros
4 pessoas
Peso bruto total (N)
14896
Peso em ordem de marcha (N)
10976
Capacidade de carga (N)
3920
Volume do porta-malas (l)
280
Durabilidade estimada
200.000 km
- 70% Urbano;
Tipo aplicação
- 30% Rodoviário.
Fonte: Dados do projeto.
As tabelas 2 e 3 demonstram as características do propulsor e do sistema de transmissão utilizados no projeto.
Tabela 2 - Características do sistema propulsor.
Motor
Sistema Propulsor
- Dianteiro;
- Longitudinal;
- 3 Cilindros em linha;
- Turboalimentado.
Deslocamento volumétrico (cm³)
Potência máxima (kW @ rpm)
Torque máximo (N.m @ rpm)
Limite de rotação (rpm)
Velocidade máxima (km/h)
Aceleração de 0 a 100 km/h (s)
Combustível
Sistema de alimentação
Fonte: Dados do projeto.
Tabela 3 - Características do sistema de transmissão.
Sistema de Transmissão
Tipo
Manual de 6 velocidades
Tração
Dianteira
Rodas
Liga leve de alumínio 7JX17"
Pneus
205/45 R17 88V
Fonte: Dados do projeto.
A tabela 4 caracteriza o sistema de freios do projeto.
Tabela 4 - Características do sistema de freio.
Dianteiro
Traseiro
Assistência
Sistema de Freios
Discos ventilados com pinça flutuante – Ø 315
Discos sólidos com pinça flutuante – Ø 300
ABS (Anti-lock Breaking System)
BAS (Brake Assist System)
EBD (ElectronicBrakeDistribution)
TCS (Traction Control System)
ESP (Electronic Stability Program)
Fonte: Dados do projeto.
As tabelas 5 e 6 demonstram as especificações técnicas do sistema de direção e das suspensões dianteira e traseira. Já a tabela 7 aborda as características da carroceria.
Tabela 5 - Características do sistema de direção.
Sistema de Direção
Tipo
Pinhão e Cremalheira
Assistência Elétrica
Fonte: Dados do projeto.
Tabela 6 - Características do sistema de suspensão.
Sistema de Suspensão
Dianteira MacPherson
Traseira
Braços semi-arrastados
Fonte: Dados do projeto.
16
3 ENVELOPE
O veículo Havok, é categorizado como um compacto esportivo, classificação M1 conforme CONTRAN nº291/08. O veículo possui 2 portas e capacidade para acomodar 4 passageiros devido ao intuito de utilização urbano que almeja. O design inovador, trás um visual esportivo e moderno devido ao para-brisa acompanhar praticamente todo o habitáculo do carro. Abaixo, estão demonstradas as dimensões do veículo conforme figura 1.
Figura 1:
- Vistas de planta com dimensões do veículo.
Fonte: Dados do projeto.
17
8 CENTRO DE GRAVIDADE (CG)
8.1 Referência espacial
O ponto de referência do projeto Havok está localizado, analisando-se a vista lateral do veículo, a partir do ponto de intersecção do plano horizontal de contato do pneu com o solo e do plano vertical do para-choque frontal do veículo, conforme mostra a figura 12.
8.2 Determinação do CG
Para o conjunto do veículo, é considerada a massa suspensa junto à massa não suspensa nas condições, descarregado e carregado. Para a segunda condição acrescentam-se os quatro ocupantes e a bagagem.
É possível encontrar a posição do centro de gravidade na tabela 7 para as diversas condições de carregamento do veículo.
Tabela 7- Posição do CG para as diversas situações de carregamento.
Condição
Massa Total (kg) Distancia em X (mm)
Veiculo Descarregado
1120
Veiculo Carregado
1520
Distancia em Z (mm)
Descarregado 1812,93 Descarregado
Carregado
2041,43
Carregado
463,58
538,95
Fonte: Dados do projeto.
De acordo com os resultados obtidos na tabela 6, pode-se observar a localização do
CG conforme as figuras 15 e 16.
18
Figura 1:
- Centro de gravidade do veículo em ordem de marcha.
Fonte: Dados do projeto.
Figura 2:
- Centro de gravidade do veículo carregado.
Fonte: Dados do projeto.
Para simplificar, adota-se o veículo como simétrico no plano vertical, ou plano X Z.
Assim considera-se que a coordenada Y para os itens descritos será zero.
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8.3 Distribuição do peso nos eixos
Para a situação veículo descarregado, com base na posição de CG obtida, temos: = =
.
10976.1475,07
=
= 6570,77
2464
.
10976.988,93
=
= 4405,23
2464
Para a situação veículo carregado, analogamente, temos:
′ =
′ =
′. ′
14896.1246,57
=
= 7536,06
2464
′. ′
14896.1217,43
=
= 7359,94
2464
De acordo com os resultados obtidos, observa-se uma distribuição de massa muito próximo do centro do veículo quando o mesmo é carregado.
Isso ocorre porque o CG do veículo é deslocado para trás conforme é carregado.
Já na condição de veículo descarregado o CG fica deslocado para frente onde localizam-se os conjuntos com maior massa suspensa, como o motor e a transmissão.
20
8 FREIOS
8.1 Conceito de freios automotivos
Freio é um tipo de mecanismo com o qual é possível controlar a aceleração de um veículo ou de uma máquina de modo a retardar ou parar seu movimento ou, impedir que o movimento seja reiniciado.
O sistema de freios é um dos mais importantes na mecânica dos automóveis, pois se trata de um componente de segurança. São projetados, desenhados e dimensionados com o objetivo de manter a capacidade de desaceleração do veiculo consideravelmente maior que sua capacidade de aceleração.
O principal tipo de acoplamento empregado nos sistemas de freios ainda é o por atrito.
Esse tipo atua quando dois materiais a velocidades diferentes se atritam, fazendo com que aquele que tiver condição de manter a velocidade influa sobre a velocidade do outro. Caso a velocidade de um dos materiais seja nula, o acoplamento é chamado de freio; caso nenhum dos dois tenha velocidade nula, o acoplamento é chamado de embreagem. Freios e embreagens, por questão de espaço, são normalmente acoplados a eixos rotativos, atuando no sentido de alterar velocidades angulares e não lineares, seu uso em velocidades diferentes deve-se principalmente ao fato de que o eixo que está sendo acionado, ou seja, tendo sua velocidade alterada, acopla-se gradualmente ao eixo que o está acionando. A mudança repentina de velocidades significaria um choque de elevada magnitude, amortecido apenas pela rigidez dos componentes, o que fatalmente levaria a falha por sobrecarga em algum dos elementos acoplados.
A transmissão é limitada pela aderência entre as superfícies, se o esforço a ser transmitido for muito grande, isso faz com que o esforço não passe pelo acoplamento, pois assuperfícies escorregam. Esse é o princípio que norteia o uso de acoplamentos de atrito como limitadores de torque. Na realidade, também haverá escorregamento enquanto as velocidades forem diferentes, e o esforço máximo que pode ser transmitido depende do coeficiente de atrito dinâmico entre os materiais em contato. Quando os eixos se acoplam, obviamente com a mesma velocidade, o coeficiente de atrito estático passa a ser o fator que limita o esforço a ser transmitido. 21
8.2 Princípio da frenagem
Ao esfregar uma mão na outra, com força, sente-se um aumento de temperatura. O mesmo acontece quando se trava os freios de uma bicicleta que acaba de descer uma ladeira, ou de um veiculo ou de uma máquina. Ao diminuir a velocidade de um veículo através de um sistema de freios, a energia cinética responsável pelo movimento é transformada em energia térmica. Por este motivo há uma diminuição da velocidade, dada pela substituição de uma energia pela outra.
A energia cinética inerente ao movimento se transforma em calor devido à fricção e tem proporcionalidade ao quadrado da velocidade em que se encontra. O sistema de freios tem a função, portanto, de criar um momento de atrito ou um torque de frenagem, entre os componentes rotativos e estáticos do sistema de freios para gerar desaceleração angular das rodas. 8.3 Sistemas de freios do projeto
O projeto Havok utilizará sistema de freio hidráulico com auxilio de ABS, BAS, EBD,
TCS e ESP. Antes dos cálculos, serão explicados todos os sistemas auxiliares mencionados.
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8.3.1 Sistema ABS (sistema de antitravamento)
Figura 1 - Esquema ilustrativo sistema ABS.
Fonte: http://www.bosch.com.br.
Em uma situação de frenagem de emergência, a força de frenagem aplicada pelo motorista pode ser maior do que o pneu pode suportar. Neste caso, a roda trava. O pneu agora não consegue mais transferir nenhuma força de tração lateral. O veículo fica instável e fora de controle, visto que ele não reage mais aos comandos de direção do motorista. Em um veículo equipado com o sistema ABS (anti-lock breaking system), os sensores de velocidade da roda medem a velocidade de rotação das rodas e passam essas informações à unidade de controle do ABS. Se a unidade de controle do ABS detectar que uma ou mais rodas tendem a travar, ele intervém em questão de milissegundos, modulando a pressão de frenagem em cada roda individual. Ao fazer isso, o ABS impede que as rodas travem e garante uma frenagem segura: o veículo continua sob controle e estável. Em geral, a distância de parada é reduzida também.
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Existem quatro componentes principais em um sistema ABS:
- Sensores de velocidade
- Bomba
- Válvulas
- Unidade controladora
Figura 2 - Esquema ilustrativo sistema ABS.
Fonte: http://www.bosch.com.br
8.3.1.1 Sensores de rotação
Figura 3 - Sensor de rotação.
Fonte: http://www.bosch.com.br.
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Os sensores de velocidade da roda fazem parte dos sistemas de segurança ativa modernos. Eles medem a velocidade de rotação das rodas do veículo sem entrar em contato com elas por meio de campos magnéticos. Além disso, os sensores de velocidade da roda ativos identificam a direção de rotação e o ponto de inércia de uma roda. Os sinais de velocidade da roda são transmitidos por meio de cabos à unidade de controle do ABS, TCS ou
ESP® do veículo que individualmente controla a força de frenagem em cada roda.
8.3.1.2 Válvula e Bomba
Figura 4 - Válvula e bomba.
Fonte: http://www.bosch.com.br.
Existe uma válvulana tubulação de cada freio controlado pelo ABS. Em alguns sistemas, as válvulas têm três posições:
1) A válvula está aberta; a pressão do cilindro-mestre é passada direto até o freio;
2) A válvula bloqueia o tubo, isolando o freio do cilindro-mestre. Isso previne que a pressão suba mais caso o motorista pressione o pedal do freio com mais força;
3) A válvula libera um pouco da pressão do freio.
Uma vez que a válvula libera a pressão dos freios, deve haver uma maneira de repor aquela pressão. É isso que a bomba faz: quando a válvula reduz a pressão num tubo, a bomba repõe a pressão.
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8.3.1.3 Unidade controladora
A unidade controladora é um computador no automóvel. Ela monitora os sensores de rotação e controla as válvulas.
Figura 5 - Unidade controladora.
Fonte: http://www.bosch.com.br.
Existem muitas variações e algoritmos de controle para sistemas ABS. Veremos aqui como funciona um dos sistemas mais simples.
A unidade controladora monitora os sensores de rotação o tempo todo. Ela procura por desacelerações das rodas que não são comuns. Logo antes de uma roda travar, ela passa por uma rápida desaceleração. Se a unidade controladora não percebesse essa desaceleração, a roda poderia parar de girar muito mais rapidamente do que qualquer carro pararia. Levaria cinco segundos para um carro parar, sob condições ideais a uma velocidade de 100 km/h, mas quando uma roda trava, ela pode parar de girar em menos de um segundo.
A unidade controladora do ABS reduz a pressão naquele freio até que perceba uma aceleração, então aumenta a pressão até que veja uma nova desaceleração. Isto pode acontecer bem rapidamente, antes que o pneu possa mudar de rotação de forma significativa. Assim, o pneu desacelera na mesma relação com o carro e os freios mantêm os pneus muito próximos do ponto onde eles começam a travar. Isso oferece ao sistema o máximo poder de frenagem.
Quando o sistema ABS estiver em operação você sentirá uma pulsação no pedal de freio; isso se deve à rápida abertura e fechamento das válvulas. Alguns sistemas ABS podem operar em períodos de até 15 ciclos por segundo.
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8.4 Sistema BAS (Brake Assist System)
Os sistemas de freios auxiliares de emergência (BAS, brake assist system) possui seu funcionamento associado ao sistema ABS, auxiliando o motorista em situações de frenagem de emergência.
O sistema detecta uma frenagem de pânico com base na força que é aplicada ao pedal de freio e a velocidade que o motorista está acionando o pedal, dessa forma quando o sistema reconhece um travamento brusco, irá acionar uma pressão adicional para freio e quando o condutor reduz a pressão no pedal de freio o sistema a pressão, diminuindo a carga no sistema. Supondo uma parada de emergência há 50 km/h, abaixo podemos observar uma comparação entre dois veículos, um está equipado com BAS e o outro não. Podemos observar a redução da força aplicada no pedal (Figura 161).
Figura 6 - BAS.
Fonte:http://www.toyota-global.com
Figura 7 - Redução da força aplicada no pedal.
Fonte:http://www.toyota-global.com.
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8.5 Sistema EBD (electronic brake force distribution).
O sistema auxiliar (EBD, electronic brake force distribution) aperfeiçoa o desempenho do sistema ABS do carro. O EBD evita a derrapagem do veiculo e dessa forma ajustar a força de frenagementre as rodas dianteiras e traseiras de acordo com a carga do veículo e condições da estrada, ou freia as rodas de um lado um pouco maisdo que o outro para manter a estabilidade durante uma curva.
O funcionamento baseia-se em sensores de velocidade instalados em todas as quatro rodas que detecta quando uma ou mais rodas estão prestes a travar. O sistema calcula instantaneamente quais das rodas precisam ser travadas e quais que precisa ser liberado, esta informação é retransmitida para o atuador de freio que, em seguida, distribui a força do brake para cada roda em conformidade resultando em um veiculoestável e seguro.
Figura 8 - Electronic break force distribution.
Fonte:Dados do projeto,
28
8.6 Sistema TCS (traction control system)
O Sistema de Controle de Tração (TCS) é um desenvolvimento adicional da tecnologia ABS e impede que a roda derrape ao arrancar ou acelerar, particularmente em uma pista escorregadia ou molhada. Enquanto o ABS impede que as rodas travem durante a frenagem ao reduzir as pressões de frenagem, o TCS garante que as rodas não derrapem durante a arrancada ou a aceleração. Para fazer isso, o torque em cada roda acionada é reduzido de maneira correspondente. O TCS melhora a tração do veículo e aumenta a segurança ao evitar situações de condução instáveis dentro dos limites da física.
Figura 9 - Traction Control System.
Fonte:Dados do projeto.
Se uma das rodas acionadas tiver tendência de derrapar, o TCS será ativado. O TCS reduz o torque de acionamento fornecimento pelo motor e, se necessário, aplica freio a rodas individuais para regular o acionamento das rodas o mais rápido possível dentro do nível ideal.
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8.7 Sistema ESP (Eletronic Stability Program)
O ESP® incorpora as funções do ABS e do TCS, com os benefícios adicionais do controle de estabilidade. O sistema oferece suporte ao motorista em todas as situações de condução. Ele detecta a iminência de derrapagem e intervém aplicando força de frenagem a rodas individuais e/ou reduzindo a força do motor para restaurar a estabilidade do veículo.
O ESP® está sempre ativo. Um microcomputador monitora os sinais dos sensores do
ESP® e verifica 25 vezes por segundo se a direção seguida pelo motorista corresponde à direção real na qual o veículo está se movendo. Se o veículo se mover em uma direção diferente, o ESP® detectará a situação crítica e reagirá imediatamente, independentemente do motorista. Ele usa o sistema de frenagem do veículo para estabilizá-lo. Com essas intervenções de frenagem seletiva, o ESP® gera a força de compensação desejada, de modo que o carro reaja conforme o pretendido pelo motorista. O ESP® não só inicia a intervenção de frenagem, mas também reduz o torque do motor para reduzir a velocidade do veículo.
Portanto, dentro dos limites da física, o carro é mantido seguro no caminho desejado.
Figura 10 - Traction Control System.
Fonte:Dados do projeto.
30
8.8 Componentes do sistema do projeto
8.8.2 Disco de freio
Os discos de freios são normalmente usados no eixo dianteiro, onde o sistema de freio é mais exigido, e em modelos esportivos ou top de linha que exigem frenagem de maior potência, os discos são montados em ambos os eixos. Alguns modelos de discos de alto desempenho têm estrutura ventilada para forçar o resfriamento, por serem fabricados com os mais avançados materiais, os discos de freio são extremamente duráveis e eficientes, verdadeiras peças de alta precisão que funcionam sob temperaturas e esforços extremos.
Figura 11 - Freio a disco do tipo sólido.
Fonte: http://www.trw.com.br
Os freios a disco geralmente são construídos em ferro fundido classe FC – 200, devido ao baixo custo do material, ótima usinabilidade e boa condutividade térmica. Existem novos tipo de materiais em pesquisa visando à redução de peso, amortecimento de vibração, condutividade térmica e resistência à fadiga. Dessa forma abordam-se alternativas para novos elementos de liga como o Nb e Ti visando o aumento da resistência ao desgaste e Mo que aumenta a resistência à fadiga térmica.
31
Figura 12 - Freio a disco do tipo ventilado.
Fonte: http://www.brembo.com
Freios a disco são classificados quanto ao tipo de disco de freio em sólidos ou ventilados, conforme ilustrado na (figuras 169 e 170) quanto ao tipo de funcionamento em fixos ou flutuantes, conforme ilustrado nas (figuras 171 e 172) quanto ao número de pistões e quanto ao tipo de acionamento.
Figura 13 - Freio a disco do tipo fixo.
Fonte: http://www.trw.com.br
Figura 14 - Freio a disco do tipo flutuante.
Fonte: http://www.trw.com.br
32
Apesar da aparente simplicidade, materiais de atrito são combinações complexas de diferentes matérias primas, visando atender com segurança o requisito de gerar, por atrito, forças estáveis e repetitivas dentro de uma ampla faixa de condições de aplicação do freio.
As condições em que o material de atrito trabalha envolvem número bastante grande de variáveis, em função de fatores como irregularidades nas superfícies de atrito entre disco e pastilha, variações de tamanho de partículas do material de atrito, variações de geometria, variações de condições de uso do freio: pressão de aplicação, velocidade de início de frenagem, temperatura no freio, condições da pista e do terreno, condições climáticas etc.
8.13 Pastilha de freio
A função das pastilhas de freio é gerar atrito suficiente para diminuir ou até parar a roda de um veículo. As pastilhas sem amianto são fabricadas à base de fibras sintéticas e outros agentes como latão, palha de aço, grafite, resina etc.
Devido a esses componentes, ela se torna resistente a altas temperaturas, tem melhor estabilidade, adapta-se às condições severas de frenagem e é resistente à corrosão.
Figura 15 - Pastilhas de freio.
Fonte: http://www.fras-le.com
33
8.12 Pinça de freios (cáliper)
O freio a disco de pinça flutuante de um pistão é auto-centrante e auto-ajustável. A pinça é capaz de deslizar de um lado para o outro e se move para o centro cada vez que os freios são usados. Considerando ainda que não haja mola para afastar as pastilhas do disco, elas sempre ficam em leve contato com ele. Isto é importante porque os pistões nos freios têm diâmetro muito maior do que os do cilindro-mestre. Se os pistões de freio se retraem para dentro dos seus cilindros, isso pode exigir diversas aplicações do pedal do freio para bombear fluido suficiente ao cilindro de freio, de modo que as pastilhas de freio readquiram contato com o disco.
Figura 16 - Freio a disco de pinça flutuante.
Fonte: RASZL, 2014.
Figura 17 - Deslizamento do freio a disco de pinça fixa.
Fonte: www.trw.com.br.
34
8.9 Cilindro-Mestre
Figura 18 - Cilindro mestre duplo.
Fonte: http://www.trw.com.br
A função do cilindro mestre é de abastecer o sistema de freio com fluido de freio, vindo do reservatório e gerar a pressão hidráulica.
É através do cilindro mestre (figura 173) que o processo de frenagem é iniciado e controlado, visto que ao acionar o pedal de freio, o pistão do cilindro mestre comprime o fluido que se encontra na câmara, gerando pressão em todo o circuito hidráulico do sistema.
Tipos de Cilindro Mestre:
1- Cilindro Mestre Simples;
2- Cilindro Mestre Duplo;
3- Cilindro Mestre Duplo com Válvula Central.
1) Cilindro Mestre Simples
Possui uma câmara de pressão que alimenta os freios das quatro rodas do veículo;
Havendo perda de pressão em qualquer ponto do sistema de freio (vazamento), perdese a pressão nos freios das quatro rodas do veículo.
35
2) Cilindro Mestre Duplo
Possui duas câmaras de pressão independentes, e cada câmara alimenta duas rodas do veículo; Havendo perda de pressão em qualquer ponto do sistema de freio, perde-se a pressão somente nos freios de duas rodas do veículo, possibilitando, assim, que os freios das outras duas rodas continuem operando normalmente.
3) Cilindro Mestre Duplo com Válvula Central
Muito utilizado nos veículos equipados com ABS.
8.10 Reservatório fluido de freio
O reservatório plástico de fluido de freio é fonte de fluido de freio do cilindro-mestre.
Uma conexão elétrica é instalada para que através de um sensor de alerta seja detectado quando o nível do fluido está baixo.
Figura 19 - Reservatório de fluído de freio.
Fonte: www.trw.com.br
Quando o pedal de freio é pressionado, este empurra o pistão-primário do cilindro mestre através de uma haste conforme ilustrado na figura 175. A pressão aumenta no cilindro e nas linhas à medida que o pedal é mais pressionado. A pressão entre o pistão-primário e o secundário, força este a comprimir o fluido em seu circuito. Se o freio estiver funcionando de maneira correta, a pressão será a mesma em ambos os circuitos.
36
Figura 20 - Representação do cilindro mestre duplo.
Fonte: www.trw.com.br
8.11 Servo freio
A função do servode freio é ampliar a força aplicada pelo motorista no pedal de freio.
O processo se dá através da diferença de pressão entre o vácuo gerado pelo motor ou bomba de vácuo e a pressão atmosférica, amplificando a força de atuação sobre o cilindro mestre e proporcionando maior conforto ao motorista.
Figura 21 - Servo freio.
Fonte: http://www.bosch.com.br
37
Figura 22 - Servo freio.
Fonte: RASZL, 2014.
8.14 Mangueiras e tubulações
Utilizam-se tubos de metal para conectar os componentes do sistema de freios que estão fixados ao chassi do veículo. Mangueiras de borracha são utilizadas para conectar os componentes que se movem verticalmente devido ao funcionamento do sistema de suspensão.
Nos circuitos independentes e para evitar que uma anormalidade em um único circuito provoque falha em todos os freios, um circuito é utilizado para os freios dianteiro direito e traseiro esquerdo, e outro para os freios dianteiro esquerdo e traseiro direito.
Figura 23 - Mangueiras e tubulações de freio.
Fonte: http://auto.howstuffworks.com
38
8.15 Fluído de freio
Responsável pela transmissão de pressão gerada no cilindro mestre para os freios das rodas. O fluido de freio é um composto sintético ou semissintético indispensável ao processo de frenagem do veículo. Suas principais características são a capacidade de não se comprimir e a de absorver água.
Quando o motorista pisa no pedal de freio, o fluido atua na linha hidráulica e aciona a pastilhas de freio, executando a frenagem do veículo.
Além disso, também funciona como lubrificante e previne a corrosão de peças de todo o sistema.
O sistema de freios trabalha em altas temperaturas, por isso os fluidos têm elevados pontos de ebulição. Como o sistema pode absorver a umidade do ambiente, o ponto de ebulição do fluido tende a baixar com o passar do tempo, permitindo a formação de bolhas.
Essas bolhas prejudicam a eficiência do sistema e acarretam falhas na frenagem.
Figura 24 - Fluido de freio.
Fonte:www.trw.com.br.
39
O fluido de freio é um componente de segurança e um dos mais importantes do sistema de freios. As características do fluido de freio estão relacionadas com a performance de todo o sistema de freios do veículo, portanto, não se deve utilizar uma versão do produto inferior à especificada no manual do veículo.
Os fabricantes usam vários aditivos a fim de garantir as propriedades necessárias a seus fluidos. Os fluidos de diferentes fabricantes nunca devem ser misturados, pois as reações químicas entre esses aditivos podem reduzir o ponto de ebulição. Além disso, deve-se utilizar o fluido de um fabricante de confiança.
Existem três tipos no mercado: DOT 3, DOT 4 e DOT 5.
8.16 Válvulas equalizadoras de pressão
As válvulas equalizadoras são consideradas componentes fundamentais nos sistemas de freio. Atuando como reguladoras de pressão nos freios traseiros, são as responsáveis pelo equilíbrio do veículo no momento da frenagem. Os tipos mais comuns de válvulas equalizadoras de pressão são a válvula de ponto de corte fixo e a válvula sensível à carga.
Dependendo do projeto do veículo faz-se necessária a utilização de uma válvula equalizadora de pressão sensível à carga ou com ponto de corte fixo.
Para definir o tipo e a regulagem da válvula para um determinado veículo é necessário levar em consideração diversos fatores técnicos encontrados nas especificações do projeto desse veículo.
Ao frear um veículo, uma grande parcela de seu peso é transferida do eixo traseiro para o eixo dianteiro, processo denominado "Transferência dinâmica de carga nos eixos".
40
Figura 25 - Válvula equalizadora de pressão
Fonte: RASZL, 2014.
A função da válvula equalizadora de pressão é regular a pressão de aplicação do freio, evitando o excesso de força de frenagem nas rodas traseiras, que, dependendo da situação do peso sobre a roda, das condições de pista, bem como da intensidade da frenagem, provocariam o perigo de o veículo desgovernar-se, comprometendo sua estabilidade.
Durante a frenagem, o movimento de mergulho da dianteira do veículo aumenta a carga sobre as rodas dianteiras, fazendo com que os pneus sejam pressionados mais firmemente contra a superfície de rodagem. Isso diminui a possibilidade de travamento dessas rodas. Por outro lado, fatores inerciais fazem com que a carga sobre as rodas traseiras diminua, o que aumenta a possibilidade dessas rodas travarem. Isso pode causar uma instabilidade e fazer com que o veículo derrape. Por essa razão, existe uma válvula reguladora de pressão para os freios traseiros que regula a pressão de frenagem fornecida aos freios dianteiros e traseiros.
A válvula reguladora de pressão para os freios traseiros está instalada nas tubulações do freio traseiro.
41
8.17 Freios de estacionamento
O freio de estacionamento é basicamente um cabo atuado mecanicamente pela força no braço de quem o puxa. Não há nenhum sistema hidráulico para auxiliar nesta tarefa. Além disso, ele atua somente nas rodas traseiras.
Figura 26 - Freio de estacionamento.
Fonte: SENAI - Mecânico de automóveis II.
Tipicamente o freio de estacionamento é utilizado sempre que o veículo é parado em algum lugar, seja estacionado por longo período ou em manobra de rampas para evitar que o veiculo se mova em direção não desejada, minimizando a possibilidade de pequenas colisões.
Para veículos com transmissão automática, as operações de “rampa” são mais fáceis devido ao sistema eletro-hidráulico da transmissão, no entanto quando o veículo for estacionado, especialmente em declive os sistemas da transmissão e da embreagem ficarão sobrecarregados se o freio de estacionamento não for acionado.
42
8.19 Escolha do tipo de freio
8.19.1 Considerações iniciais do projeto
Dadas as possibilidades de utilização do veiculo e as necessidades em função da potência disponível, verificamos a necessidade de um sistema de freios eficiente, que possua rápida dissipação de calor em virtude da sua severa solicitação e com considerável nível de conforto e segurança. Com base nesses dados, nos apoiamos para a escolha dos freios de acordo com os regulamentos da “EEC” 71/320, e assim, portanto, caracterizamos o veículo da seguinte maneira:
- Categoria M1:
Veículos com no mínimo quatro rodas, destinados ao transporte de passageiros com três lugares sentados no máximo, além do lugar do motorista.
- Limites de desaceleração e esforço no pedal:
Desaceleração de serviço: 0,87g;
Desaceleração secundária: 0,30g;
Máximo esforço no pedal: 489 N (para desaceleração de 0,87g);
Esforço máximo para o freio de estacionamento: 391 N (acionamento manual).
Com base nos valores exigidos, concluímos que a seguinte configuração seria ideal:
Freio a disco tipo ventilado com cáliper tipo flutuante (Dianteira);
Freio a disco tipo maciço com cáliper tipo flutuante (Traseira);
Cilindro mestre duplo;
Servo assistido com acionamento por bomba de vácuo independente;
Sistema de acionamento dos pistões tipo “X”;
Válvula reguladora de pressão para os freios traseiros.
43
8.19.2 Esquema do sistema de freio
LEGENDA
1 Cilindro mestre
7
Válvulas de entrada
2 Modulador da pressão hidráulica
8
Válvulas de saída
3 Câmara de compensação
9
Tubulação traseira esquerda
4 Bomba de retorno
10 Tubulação dianteira direita
5 Motor
11 Tubulação dianteira esquerda
6 Acumulador
12 Tubulação traseira direita
Figura 27 - Esquema simplificado do sistema de freio.
Fonte: Desenvolvimento do profissional da rede Chevrolet, 2006, Apostila
8.20 Dimensionamento do sistema de freio do veículo
Para definição do dimensionamento do sistema de freios do projeto HAVOK, foram utilizados parâmetros de projeto de Dinâmica Veicular e Projeto de Suspensão e Direção.
Além de alguns parâmetros conhecidos e estabelecidos pelas normas regulamentadoras, que devem ser obedecidas durante o desenvolvimento do projeto.
44
8.21 Parâmetros para determinação do sistema de freios
O dimensionamento do sistema de freios será com base na condição em ordem de marcha (descarregado) e carregado.
Os cálculos serão desenvolvidos com base nos dados da tabela abaixo.
Tabela 8 - Valores encontrados no projeto de freios.
Variável
WTL
WTDO
% WT fDL
% WT rDL
% WT fDO
% WT rDO
WB
HCGL
HCGDO
Vmax
Rf
Rr
N
f t µ
Descrição
Peso do veículo carregado
Peso do veículo descarregado
% do peso no eixo dianteiro carregado
% do peso no eixo traseiro carregado
% do peso no eixo dianteiro descarregado
% do peso no eixo traseiro descarregado
Distância entre eixos
Altura do Centro de Gravidade carregado
Altura do Centro de Gravidade descarregado
Velocidade máxima
Raio de rolamento do Pneu dianteiro
Raio de rolamento do Pneu traseiro
Potência
Desaceleração de serviço
Tempo de frenagem de pánico
Coeficiente de atrito pneu/pista
-
Especificação do Pneu dianteiro
-
Especificação do Pneu traseiro
Valor
Unidade
14896
N
10976
N
50,6
%
49,4
%
59,9
%
40,1
%
2,464 m 0,539 m 0,464 m 220 km/h 0,31 m 0,31 m 164
CV
0,87 g 2,93 s 0,5
P205/45 R17
88V
P205/45 R17
88V
Fonte: Dados do projeto.
8.22 Energia dissipada na frenagem
Para verificação da eficácia do sistema de frenagem de um veículo, é necessário aplicar alguns critérios, um dele seria comparar sua energia de frenagem com a energia necessária para vaporização da água. Segue abaixo, os critérios adotados.
45
- Veiculo carregado: 2063,18 Kg
- Velocidade Máxima: 215 km/h
=
∗ ²
2
… (8 − 1)
Onde:
m = massa do veículo carregado (em kg) dividido pela gravidade (9,81 m/s²) v = velocidade máxima do veículo (em m/s)
=
1 2063,18 215 2
∗
∗ � 3,6 �
2
9,8 2
= 375450,74 .
Em situação de frenagem de pânico, o veículo devera ser parado em seis segundos ou menos. Para calculo nesta condição, foi considerado que seis segundos são um décimo de minuto, com isso é possível calcular a energia de frenagem de pânico. =
375450,74
∗ 10
4562,5
= 822,91 ℎ
Com o valor da energia de frenagem, é possível calcular a quantidade de calor gerado. = 0,1781
∗ 822,91 ℎ ∗ 6 = 879,36
ℎ ∗
Com o calor calculado, é possível levantar a temperatura da quantidade de massa de água a partir do ponto de congelamento até a ebulição em seis segundos. = ∗ ∗ ∆
Onde:
… (8 − 2)
46
c = calor específico da água (1 kcal/kg.ºC)
∆t = variação de temperatura (100ºC) 2 =
Com os resultados obtidos acima, foi possível gerar o gráfico de necessidade de válvula de corte.
Histograma
Min%BD0
73,24%
Max%BD0
87,95%
Max%BDL
Min%BDL
Min%BDL
Max%BDL
0,00%
Max%BD0
62,83%
Min%BD0
72,35%
20,00%
40,00%
60,00%
80,00%
100,00%
Gráfico 1 - Gráfico de verificação da necessidade do uso de válvula de corte.
Fonte: Dados do projeto.
Após analise no gráfico acima, conclui-se que o veículo necessita do uso da válvula de corte. Devido que o menor máximo (Max% BDL=72,35%) é menor do que o maior mínimo
48
(Min% BDL=73,24%), então o sistema de frenagem proporcionara o nível de balanceamento necessário, graças à válvula de corte, conforme regulamentação da ECC.
8.24Balanceamento ideal
% = − ��
- Veículo carregado:
� ∗ � ∗ 100
0,661
� ∗ 0,5� ∗ 100
% = 57,12 − ��
2,650
… (8 − 7)
% = 44,65%
% = 100 − % … (8 − 8)
% = 100 − 44,65
% = 55,35%
%0 = 0 − ��
- Veículo descarregado:
%0 = 46,22 − ��
%0 = 34,05%
0
� ∗ � ∗ 100
0,6448
� ∗ 0,5� ∗ 100
2,650
%0 = 100 − %0
%0 = 100 − 34,05
%0 = 65,95%
… (8 − 9)
… (8 − 10)
49
8.25Torque de frenagem requerido por freio
Segue abaixo os cálculos dos torques de frenagem para o eixo dianteiro e traseiro.
Com os valores obtidos para o eixo traseiro, o caso crítico seria na condição abaixo:
51
= 1128,36 .
8.26Características dos freios selecionados
Tabela 9 – Características do freio dianteiro.
Freio Dianteiro - Disco
Descrição
Raio Efetivo
Diâmetro do cilindro de roda
Revestimento M.U
Pressão limite
Largura da pastilha
Área da pastilha por freio
Espessura total do disco
Tipo de disco
Fluid Displacement Slope
Fluid Displacement Intercept
Valores Unid. m 0,104
0,048
m
0,35
bar
1
0,044 m 102 cm2 0,024 m Ventilado
3
17,772 mm /bar
919,26
mm3
Fonte: Dados do projeto.
Tabela 10 – Características do freio traseiro.
Freio Traseiro - Disco
Descrição
Raio Efetivo
Diâmetro do cilindro de roda
Revestimento M.U
Pressão limite
Largura da pastilha
Área da pastilha por freio
Espessura total do disco
Tipo de disco
Fluid Displacement Slope
Fluid Displacement Intercept
Fonte: Dados do projeto.
Valores Unid.
0,104
m m 0,055
0,35
1 bar 0,044 m 102 cm2 0,012 m Sólido
11,666 mm3/bar
603,461
mm3
52
Tabela 11 – Características do cilindro mestre.
Cilindro Mestre
De scrição
Diâmetro
Curso Nominal
Vol. minima de fluído na câmara primária
Vol. minima de fluído na câmara secundária
Divisão do cilindro mestre
Divisão do sistema
Cut-off
Cut-off - câmara primária
Cut-off - câmara secundária
Eficiência
Curso carga/pressão
Valores Unid.
0,02381
m
0,038
m
8000
mm3
8000
bar
50,0-50,0
XX
0,002
m
0,019
m
0,019
m
0,95
0 mm/bar Fonte: Dados do projeto.
Tabela 12 – Características da válvula de corte.
Válvula de Corte
Descrição
Tipo da válvula
Relação da válvula de corte
Pressão cut-in descarregado
Pressão cut-in carregado
Pressão cut-in mínima
Valores
LCR-SL
2,50:1
16
54
0
Unid. bar bar bar Fonte: Dados do projeto.
Tabela 13 – Características do freio de estacionamento.
Freio de Estacionamento
De scrição
Relação de alavanca
Vantagem Mecânica μ da pastilha
Fonte: Dados do projeto.
Valore s
6,00:1
4,83:1
0,4
Unid.
-
53
Tabela 14 – Características do servo freio.
Servo Freio
Descrição
Diâmetro
Relação de Carga Nominal
Cut-in
Jump-in
Cut-off
Relação de Carga depois do Knee-point
Limite de carga falhado
Carga de Entrada no Knee-point
Carga de Saída no Knee-point
Entrada extra acima do Knee-point
Valores Unid.
0,27
m
3,90:1
0
N
0
N
0 m 0,95:1
49
N
1227,156
N
4785,93
N
0
m
Conforme norma ECC, é estabelecido um valor limite de pressão efetiva de 10,55
MPa, com o objetivo de garantia de resistência ao fade e vida do material de atrito. Desta forma, os valores obtidos para dianteira e traseira atende as especificações da norma.
Para o eixo dianteiro, é utilizado freios a disco ventilado, é especificado na EEC um limite de carga na pastilha de 2,07 MPa de modo a prevenir fade e garantir a vida do material de atrito. Com isso podemos verificar que o veículo atende o valor atende o especificado.
8.33Cálculo de carga na pastilha traseira
-Carregado: =
∗
2 ∗ ∗
=
6054,66 ∗ 0,34515
2 ∗ 10,200 ∗ 0,104
= 0,98
… (8 − 30)
59
-Descarregado: =
4778,66 ∗ 0,34515
2 ∗ 10,200 ∗ 0,104
= 0,78
Para o eixo traseiro, é utilizado freios a disco sólido, é especificado na EEC um limite de carga na pastilha de 2,07 MPa de modo a prevenir fade e garantir a vida do material de atrito. Com isso podemos verificar que o veículo atende o valor atende o especificado.
8.34Cálculo da potência dissipada na pastilha dianteira
- Carregado: = =
∗
1080 ∗
1176,95 ∗ 215
1080 ∗ 102
= 2,297
- Descarregado: =
… (8 − 31)
ℎ
= 17,13
²
²
928,80 ∗ 215
1080 ∗ 102
= 1,813
ℎ
= 13,52
²
²
A potência dissipada na pastilha dianteira, em condição de ordem de marcha descarregado e carregado, está de acordo com a norma ECC, no qual especifica que a potência dissipada não pode ser superior a 18,49 W/mm2.
60
8.35Cálculo da potência dissipada na pastilha traseira
- Carregado: =
=
∗
1080 ∗
617,82 ∗ 215
1080 ∗ 102
= 1,206
-Descarregado:
=
… (8 − 32 )
ℎ
= 8,99
²
²
487,56 ∗ 215
1080 ∗ 102
= 0,952
ℎ
= 7,10
²
²
A potência dissipada na pastilha dianteira, em condição de ordem de marcha
(descarregado) e carregado, está de acordo com a norma ECC, no qual especifica que a potência dissipada não pode ser superior a 18,49 W/mm2.
Conforme ECC, o limite especificado para disco ventilado é de 650ºC, com isso podemos verificar que os valores nas condições impostas atendem o valor especificado.
Conforme ECC, o limite especificado para disco sólido é de 550ºC, com isso podemos verificar que os valores nas condições impostas atendem o valor especificado.
62
8.37Análise da distribuição de força de frenagem
-Carregado: =
11549,10
=
= 0,5712
20219
= 1 − = 0,4288
=
… (8 − 35)
ℎ
661
=
= 0,2494
2650
-Descarregado: =
7374,86
=
= 0,4622
15956
= 1 − = 0,5378
=
ℎ
644,80
=
= 0,2433
2650
… (8 − 36)
63
8.38Considerações gerais e resultados conforme simulação de caso
8.38.1Principais parâmetros
Tabela 15 – Parâmetros de entrada para curva de frenagem ótima.
Parâmetros Carregado Descarregado Unid.
Ψ
0,5712
0,4622
χ
0,2494
0,2433
WB (m)
2,65
2,65 m HCG (m)
0,661
0,6448 m WT (N)
20219
15956
N
Fzr (N)
11549,1
7374,86
N
Ψ/χ
1,3321
0,8594
1 - (Ψ / χ)
-0,3321
0,1406 δ 0,1
0,1
Fonte: Dados do projeto.
8.38.1.1Forças dinâmicas ótimas de frenagem
64
Gráfico 2 - Gráfico de frenagem ótima.
Fonte: Dados do projeto.
Sendo abscissas a porcentagem de carga no eixo traseiro e ordenadas a porcentagem de carga no eixo dianteiro, com este gráfico busca-se uma aproximação entre o projeto e as forças de frenagem definidas pela característica do sistema de freios selecionado, com o propósito de definir o projeto do sistema.
Conclui-se que, em qualquer ponto da curva, a força de frenagem ótima representa a frenagem ótima, pois se os balanços de torque de freio real dianteiro para o traseiro fossem distribuídos conforme as taxas ótimas de frenagem indicadas, para uma desaceleração de
0,87g, ocorreria primeiramente o travamento do rodado dianteiro e posteriormente o travamento do rodado traseiro, em ambos carregados e descarregado, ocasionando, portantoum melhor controle ao frear o veiculo, o caso ideal seria o travamento do rodado dianteiro e traseiro de formas simultâneas, diminuindo a distancia de frenagem, porem a o veiculo KAMAL possui alguns sistemas auxiliares contornando dessa forma o problema apresentado. 8.38.2Características do pedal de freio
Tabela 16 – Característica do pedal de freio.
65
Pedal do Freio
De scrição
Valore s Unid.
Relação nominal
3,14:1
Relação de velocidade do pedal
3,30:1
Vantagem mecânica do pedal
2,95:1
Pré-Carga da mola de retorno do pedal
4,41
N
Constante da mola de retorno do pedal
88,2
N/m
Curso do pedal
0,16
m
Fonte: Dados do projeto.
8.38.3Características do sistema de corte em superfície de atrito 0,87
Tabela 17 – Característica do sistema de corte com o coeficiente de atrito 0,87.
Sistema de Corte em Superfície de Coeficiente de atrito 0,87
Esforço no Curso no
Pre ssão (x10 5Pa)
De sace le ração (g)
Pe dal (N) Pe dal (m) Diante iro Trase iro
Carregado
0,3
211,68
0,0896
4,99
4,99
Dianteiro
Carregado
0,3
Traseiro
Fonte: Dados do projeto.
198,94
0,0842
8.38.4Características da frenagem
Tabela 18 – Parâmetros de desempenho de frenagem.
4,7
2,89
66
Caracte rísticas
Diante iro Trase iro
Torque de frenagem
Unid
1976,66
1058,4
N.m
Pressão de linha
1,902
1,018
MPa
Energia Dissipada
16,79
8,98
643
445
W/mm2
ºC
Volume de fluído
4,595
2,687
m3
Volume de fluído das mangueiras
0,417
0,357
m3
0,000331
0,000428
0,000331
0,000428
m m Ganho de Temperatura
Reserva de fluído
Sistema completo (0,87g)
Meio sistema (0,23g)
Fonte: Dados do projeto.
8.38.5Distância até a parada de 80 km/h até 0 km/h
Tabela 19 – Distância de parada de 80 km/h até 0 km/h.
Tabela 20 – Desempenho do freio - Carregado.
Desempenho Carregado
Desaceleração Força
Desl.
%
Pres. Dianteiro Pres. Traseira
(g)
Pedal (N) Pedal (m) Dianteiro
(Mpa)
(Mpa)
Adesão
0,89g
Knee Point
Servo
Cut-in
Válvula
Frenagem
EEC
Frenagem
Teste
Falha do
Servo
0,87
319,48
0,0663
65,1
7,76
6,34
1,12
427,28
0,0767
68,3
10,42
7,41
0,65
225,4
0,0571
60,4
5,4
5,4
0,3
109,7
0,0424
60,4
2,55
2,55
0,23
87,22
0,0394
60,4
1,98
1,98
0,23
371,42
0,0394
60,4
1,98
1,98
Fonte: Dados do projeto.
67
Tabela 21 – Desempenho do freio - Descarregado.
Desempenho Descarregado
De saceleração Força
De sl.
%
Pres. Dianteiro Pre s. Traseira
(g)
Pedal (N) Pedal (m) Diante iro
(Mpa)
(Mpa)
Adesão
0,89g
Knee
Point
Cut-in
Válvula
Frenagem
EEC
Frenagem
Teste
Falha do
Servo
0,87
288,12
0,0584
74,2
6,98
3,75
1,28
426,3
0,0718
75,8
10,42
5,13
0,23
71,54
0,0375
60,4
1,6
1,6
0,3
94,08
0,0397
64,6
2,17
1,83
0,23
70,56
0,0374
60,4
1,58
1,58
0,23
302,82
0,0374
60,4
1,58
1,58
Fonte: Dados do projeto.
8.38.7Gráficos utilizados no dimensionamento
8.38.7.1Curva de relação de pressão
68
Gráfico 3 - Curva com a relação entre pressão de linha no freio dianteiro e traseiro.
Fonte: Dados do projeto.
O gráfico demonstra as curvas de pressão durante a frenagem. Na curva azul temos a condição ideal frenagem para o veículo carregado e na curva em vermelho temos a condição ideal frenagem para o veículo descarregado. E nas curvas em tracejadas em verdes, temos a condição real frenagem em cada condição, com a válvula de corte.
As curvas tracejadas em verde, estão próximas das curvas ideais, isso é devido à atuação da válvula de corte, assim evitando uma sobre pressão o que poderia ocasionar otravamento do sistema, durante a frenagem.
Com isso, é possível afirmar que o sistema esta com dimensional correto, conforme especificação, pois em ambas as situações o veículo sofre travamento das rodas após 0,87g de desaceleração. 8.38.7.2Curva de utilização de aderência
69
Gráfico 4 - Curva utilização de aderência.
Fonte: Dados do projeto.
O gráfico demonstra o sistema de frenagem para diferentes tipos e condições de pistas.
Analisando a condição de 0,4g (lama) e 0,8g (asfalto) que é exigido na norma, nota-se que nesta faixa, o veículo terá uma maior utilização, que em média será de 90%, a partir dos
0,30g, tende a se manter acima dos 80%.
Portanto atende as especificações da norma, tanto para condição de carregado quanto descarregado. 8.38.7.3Gráfico EEC 75/524 - Descarregado
70
Gráfico 5 - Gráfico EEC. 75/524 – Descarregado.
Fonte: Dados do projeto.
O gráfico demonstra os pontos onde possivelmente as rodas travariam, provocando perda direcional do veículo, na condição do veículo descarregado. O ponto é definido a partir do cruzamento da curva do eixo dianteiro com a curva do eixo traseiro. Em ambos as curvas dos eixos, o veículo não ultrapassou o valor de aderência máximo imposto pela norma EEC, tanto o limite dianteiro (curva amarelo) quanto o limite traseiro (curva tracejada roxa).
8.38.7.4Gráfico EEC 75/524 - Carregado
Gráfico 6 - Gráfico EEC. 75/524 – Carregado.
Fonte: Dados do projeto.
O gráfico demonstra os pontos onde possivelmente as rodas travariam, provocando perda direcional do veículo, na condição do veículo carregado. O ponto é definido a partir do cruzamento da curva do eixo dianteiro com a curva do eixo traseiro. Em ambos as curvas dos
71
eixos, o veículo não ultrapassou o valor de aderência máximo imposto pela norma EEC, tanto o limite dianteiro (curva amarelo) quanto o limite traseiro (curva tracejada roxa).
8.38.7.5Gráfico no esforço no pedal x desaceleração
Gráfico 7 - Gráfico do esforço no pedal x desaceleração.
Fonte: Dados do projeto.
O gráficodemonstra o crescimento da curva do sistema de acionamento de freios. Para veículos categoria M1 este valor possui o limite máximo de até 489 N para desaceleração de
0,87 g, tendo em vista o conforto e segurança do motorista. Quanto maior a inclinação da curva, menor o esforço no pedal e maior a desaceleração do veículo. Os valores obtido na condição de carregado e descarregado estão abaixo do valor de 489 N de esforço no pedal, para uma desaceleração de 0,87 g.
8.38.7.6Gráfico pressão esforço no pedal x desaceleração (sistema secundário)
72
Gráfico 8 - Gráfico do esforço no pedal x desaceleração (sistema secundário).
Fonte: Dados do projeto.
O gráfico demonstra o crescimento da curva do sistema de acionamento do freio secundário, tanto para condição de carregado quanto descarregado. Quanto maior a inclinação da curva, menor o esforço no pedal e maior a desaceleração do veículo.
8.38.7.7Gráfico pressão na linha dianteira x desaceleração
Gráfico 9 - Gráfico de pressão na linha dianteira x desaceleração.
Fonte: Dados do projeto.
8.38.7.8Gráfico pressão na linha dianteira x desaceleração (sistema secundário)
73
Gráfico 10 - Gráfico de pressão na linha dianteira x desaceleração (sistema secundário).
Fonte: Dados do projeto.
Os gráficos demonstram o aumento da pressão da linha conforme se aciona o pedal de freio. Quanto maior a inclinação da curva, maior será o deslocamento do pedal para se obtiver uma mesma pressão de linha.
8.38.7.9Gráfico esforço x curso do pedal
Gráfico 11 - Gráfico de esforço no pedal x curso do pedal.
Fonte: Dados do projeto.
Quanto maior for à inclinação da curva, maior será o curso do pedal e menor será o esforço aplicado. Deve-se buscar sempre um valor eficiente para essa relação a fim de proporcionar maior conforto ao condutor do veiculo.
74
8.4Freio de estacionamento
A verificação do freio estacionamento considerando-se as condições de rampa estimadas para o veículo podem ser observadas na tabela 186. Importante ressaltar os parâmetros “a” e “b” estão relacionados a relação de alavanca da manopla de acionamento no habitáculo, os parâmetros “c” e “d” representam a relação de alavanca do mecanismo de acionamento no tambor.
Tabela 22 - Verificação do freio de estacionamento.
Estática
Condição
Rampa
(º)
27
Desc. seco
Desc. molhado 15
Carr. seco
30
Carr. molhado 17
Fonte: Dados do projeto.
Peso tot
(N)
15956
15956
20219
20219
F roda
(N)
3574
2100
5000
2966
F man
(N)
196
196
196
196
Freio de estacionamento a (mm)
170
170
170
170
b
(mm)
30
30
30
30
F cabo
(N)
1108
1108
1108
1108
c
(mm)
100
100
100
100
d
(mm)
10
10
10
10
F art
(N)
11078
11078
11078
11078
F roda
(N)
6330
6330
6330
6330
Verif
OK
OK
OK
OK
18 CONCLUSÃO
Segurança, desempenho e conforto são requisitos essenciais para o desenvolvimento do projeto de suspensão do veículo Havok, visto que o público alvo é formado por pessoas entre 26 e 45 anos que procuram um automóvel que lhes proporcione uma condição de dirigibilidade e manobrabilidade mais esportivas. Por isso como referência inicial, foram adotados critérios de razão de rolagem adequados e os demais componentes da suspensão como: molas e barras estabilizadoras foram dimensionadas de modo que atendessem aos parâmetros necessários de frequência natural.
75
A partir dessa mesma lógica, as principais dimensões da geometria da suspensão como: roll center dianteiro e roll center traseiro também foram adotadas para atender a esses critérios. Essa metodologia para definição do projeto de suspensão, mostrou-se eficiente pois foi possível criar condições de contorno para todos os parâmetros, inclusive facilitando na decisão sobre os itens relacionados à geometria da suspensão.
Um dos fatores mais importantes do projeto de suspensão está na abordagem das hipóteses de condução do veículo, pois estas definições influenciam diretamente nos gradientes da suspensão. As principais aplicações do projeto Havok estão nos trechos urbanos e rodoviários, por essa razão a maioria dos trajetos utilizados como hipótese se enquadram nessa categoria.
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
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Tecnológico. Divisão de Capacitação Tecnológica. Manual de projeto geométrico de rodovias rurais. Rio de Janeiro, 1999. 195p.
76
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Commerce, 1971.
GILLESPIE, T. D. Fundamentals of vehicle dynamics. 6 ed. Society of Automotive
Engineers, Inc., 1992.
RASZL, Guilherme. Princípios de dinâmica veicular: hipóteses fundamentais. Centro
Universitário da FEI. São Bernardo do Campo, 2010.
REZA N. Jazar, Vehicle dynamics: theory and applications. 3 ed - Dept. of Mechanical
Engineering Manhattan College, 2009.
THE EUROPEAN TYRE AND RIM TECHNICAL ORGANISATION. Standards manual
2005. Belgium: ETRTO, 2004. 300p.
