Fluidos Hidráulicos nos Freios Veiculares PDF

SUSPENSÃO, DIREÇÃO E FREIOS AULA2 Prof. Alvaro Antonio Danielski  CONVERSA INICIAL Com a potência oferecida pelo motor, o automóvel atinge grandes velocidades, vencendo grandes distâncias com rapidez e conforto. Mas tão ou mais importante que levar o veículo a essas velocidad...

SUSPENSÃO, DIREÇÃO E FREIOS AULA2 Prof. Alvaro Antonio Danielski  CONVERSA INICIAL Com a potência oferecida pelo motor, o automóvel atinge grandes velocidades, vencendo grandes distâncias com rapidez e conforto. Mas tão ou mais importante que levar o veículo a essas velocidades é reduzi-la, ou fazer o veículo parar. Em muitas situações, é necessário parar num tempo muito menor que o utilizado para atingir a velocidade, necessitando muito mais potência. O sistema de freios tem essa importante missão de reduzir a velocidade, ou mesmo parar o veículo, convertendo a energia cinética, fornecida ao veículo pelo motor ou por declives, em energia térmica (calor), a ser dissipada nos elementos de atrito nas rodas. Para isso, o sistema de freios conta com diversos componentes, possibilitando que a força humana aplicada no pedal de freio seja multiplicada e distribuída para as rodas, onde ocorre o atrito de componentes que giram com as rodas e componentes fixos aos eixos, convertendo a energia cinética do veículo em calor. Sem o trabalho do sistema de freios, não seria possível trafegar com os veículos sem risco iminente de acidentes. TEMA 1 – PRINCÍPIOS DA FÍSICA APLICADOS NA FRENAGEM Os mecanismos de freio nas rodas se utilizam do atrito entre elementos em movimento relativo (nas rodas e nos eixos) para produzir a força de frenagem, convertendo, pelo atrito, a energia cinética do movimento do veículo em calor. A temperatura dos elementos envolvidos nesse processo se eleva, sendo o calor absorvido dissipado posteriormente para o ar ambiente. Dessa forma, o sistema de freio permite o controle da velocidade do veículo, evitando o aumento desta em um declive, reduzindo-a em condições de trânsito e imobilizando o veículo quando necessário. Os materiais utilizados na confecção desses elementos devem possuir alto coeficiente de atrito e de troca térmica, absorvendo e dissipando rapidamente o calor convertido. 1.1 Energia cinética – Energia do movimento Resgatando as origens da palavra cinética, ela deriva da palavra grega kinesis, que significa movimento. O termo energia cinética pode ser atribuído ao físico William Thomson, que se referia dessa forma a esse tipo de energia. 2  A energia cinética é a energia associada ao movimento dos corpos. De acordo com o Teorema da Energia Cinética, quando se aplica uma força sobre um corpo, a favor do movimento desse corpo, o trabalho realizado é igual à variação da energia cinética sofrida por ele. Dessa maneira, à medida que se aplica uma força a favor do movimento do corpo, ocorre um aumento na velocidade, levando ao aumento da energia cinética. A energia dos corpos em movimento é capaz de realizar trabalho, podendo ser calculada da seguinte maneira: Considerando um objeto com massa “m” e velocidade “v”, aplica-se a equação Ec = m.v²/2, onde: Ec = energia cinética em joules; m = massa em Kg; v = velocidade em m/s. Como se pode observar, decorre dessa equação que a energia cinética é função quadrática da velocidade. Isso significa que pequenas variações na velocidade podem causar aumento significativo na energia cinética, exigindo sistemas de freio capazes de converter e dissipar grandes quantidades de energia. 1.2 Energia térmica – Calor O calor é a energia térmica em trânsito, quando existe diferença de temperatura entre dois corpos. Uma das formas de produzir calor é o atrito entre superfícies (fricção). O atrito também gera o desgaste das superfícies em contato. No sistema de freios dos veículos, o atrito entre superfícies é a forma de reduzir a velocidade de rotação das rodas. Portanto, os materiais em atrito devem ter alta capacidade de absorção e dissipação do calor, além de resistir ao desgaste ocasionado por esse atrito, possibilitando vida útil adequada do freio das rodas. A construção do sistema também deve ser feita de forma a facilitar a dissipação do calor, evitando sobrecarga térmica e fadiga dos componentes. Disso depende a confiabilidade dos freios em todas as situações de uso, mesmo as mais críticas. 3  Figura 1 – Ilustração de uma frenagem de emergência Crédito: Vectorlab2/Shutterstock. 1.3 Coeficiente de atrito, força de atrito Quando consideramos dois objetos com superfícies em contato, o chamado coeficiente de atrito expressa o comportamento da resistência oferecida ao movimento relativo entre essas superfícies. Trata-se de uma grandeza adimensional (não possui unidade de medida), com valor característico de cada par de materiais, não sendo uma propriedade intrínseca de um material. Se considerarmos um determinado corpo apoiado em uma superfície, o coeficiente de atrito entre esse corpo e a superfície de apoio está relacionado com os seguintes fatores: Força normal que atua sobre o corpo (força contrária ao peso do corpo); Área de contato com a superfície; Material que compõe o corpo e também a superfície; Rugosidade das superfícies em contato. 1.3.1 Força Normal Quanto maior a massa de um corpo (consequentemente a força peso), maior a força Normal de reação da superfície. A pressão de contato entre as 4  superfícies será igual e essa força dividida pela área de aplicação. Sendo maior a pressão de contato, maior será a força necessária para mover o objeto. 1.3.2 Área de contato A pressão de contato depende diretamente da área do objeto apoiada na superfície. Embora uma área maior reduza a pressão de contato, a maior superfície causa um aumento no atrito. 1.3.3 Rugosidade superficial Uma rugosidade superficial maior significa picos e vales de maiores dimensões. Isso se reflete em maior força necessária para o movimento, mais atrito e também maior desgaste do material. 1.3.4 Materiais em contato Algumas características dos materiais como a dureza, a ductilidade e a tenacidade têm influência direta nas forças de atrito. Por exemplo, materiais mais duros exigem menos força para movimentá-los. Já materiais mais dúcteis tendem a aderir mais à superfície, exigindo maiores esforços para movimentá-los. Quando um corpo está apoiado em uma superfície e se aplica sobre ele uma força paralela à superfície, surge uma força contrária, que se opõe à tentativa de movimento do corpo. Essa força recebe o nome de força de atrito. Figura 2 – Força de atrito (fricção) Crédito: Designua/Shutterstock. 5  Para se encontrar o coeficiente de atrito de um corpo com uma superfície (como no exemplo da Figura 2), de forma bem simplificada, divide-se o valor da força necessária para manter o movimento, pelo peso do corpo em deslocamento. Se considerarmos o objeto do exemplo com um peso de 20 KgF e a força necessária para manter seu movimento como sendo de 15 KgF, teremos: 15 KgF / 20 KgF = 0,75 Logo, o coeficiente de atrito entre eles será de 0,75. Atrito estático Qualquer objeto, estando em repouso sobre uma superfície, pode apresentar maior ou menor dificuldade para ser movimentado (coeficiente de atrito estático). O objeto só entrará em movimento se for aplicada sobre ele uma força. A força aplicada deve apresentar um valor maior que o atrito existente entre o objeto e a superfície. No momento em que força aplicada supera a força de atrito, o movimento se inicia. A essa força de atrito que existe enquanto o objeto está parado, chamamos de atrito estático. Atrito dinâmico ou cinético Quando o movimento foi iniciado, a força de atrito estático foi vencida. A força agora aplicada sobre o objeto tem a função de manter o movimento. Enquanto o objeto está em movimento, a força de atrito continua atuando, mas com uma intensidade menor. Essa força que atua durante o movimento do objeto é denominada força de atrito dinâmico ou cinético. Nesse caso, o número que representa a maior ou menor dificuldade imposta ao movimento é chamado de coeficiente de atrito dinâmico ou cinético. Nota-se que os valores de coeficientes de atrito estático são sempre maiores que os valores dos coeficientes de atrito dinâmico, pois representam a dificuldade em iniciar o movimento a um objeto. Expandindo esses conceitos para o sistema de freios dos veículos, uma frenagem eficiente ocorrerá quando os coeficientes de atrito dos componentes estiverem dentro de valores adequados. Valores acima ou abaixo do ideal podem causar desgastes prematuros, superaquecimento de componentes, fadiga ou mesmo o colapso em situações críticas de frenagem. 6  1.4 Eficiência de frenagem O sistema de freios de um veículo atua, a partir da força aplicada pelo condutor no pedal de freio, promovendo o atrito entre elementos móveis (nas rodas) com elementos fixos (nos cubos). Quanto maior esse atrito, mais eficiente é a redução de velocidade da roda. Quando o condutor aplica a força no pedal de freio, seu objetivo é frear o veículo, mas, na verdade, está freando as rodas. Se considerarmos a eficiência da frenagem como a redução da rotação das rodas, até sua parada total, nem sempre teremos uma frenagem eficaz. A frenagem do veículo acontece quando há um equilíbrio entre as forças de atrito atuantes nos elementos dos freios das rodas e dos pneus com o solo, que são quem efetivamente provoca a frenagem do veículo. Se o atrito dos elementos dos freios vencer, pode ocorrer o bloqueio das rodas e o deslizamento dos pneus. Perde-se, assim, a estabilidade e controle direcional, aumentando significativamente o risco de colisão. A dosagem da força aplicada nos freios deve buscar o máximo atrito possível entre o pneu e o solo, tornando a frenagem eficaz. Nesse sentido, é importante diferenciar uma frenagem eficiente de uma frenagem eficaz. Eficiente pode ser a frenagem das rodas, pela atuação dos elementos em atrito, mas uma frenagem será eficaz quando reduzir a velocidade do veículo da forma esperada pelo condutor. A eficácia de frenagem tem evoluído com o auxílio de sistemas auxiliares de controle da frenagem, atuando eletronicamente. São os chamados sistemas ABS (anti-lock braking system – sistema antibloqueio do freio). Esses sistemas foram criados e são aplicados aos veículos com objetivos de aumentar a eficácia de frenagem, gerando ganhos também na eficiência e segurança do veículo. TEMA 2 – PRINCÍPIOS HIDRÁULICOS Os sistemas de freios dos veículos têm sua atuação a partir do acionamento do pedal de freio pelo condutor. As forças necessárias para promover o atrito dos elementos de freio nas rodas são bastante significativas, considerando a energia cinética envolvida (massa e velocidade dos veículos). É evidente que somente a força humana seria insuficiente para proporcionar a frenagem necessária. A multiplicação da força aplicada no pedal deve ser realizada pelo sistema de frenagem, promovendo a atuação adequada 7  dos elementos de atrito nas rodas, garantindo reduções de velocidades e paradas com eficiência e segurança. Além disso, deve oferecer ao condutor sensibilidade e leveza de acionamento, minimizando o cansaço e garantindo o conforto na condução do veículo, mesmo que por várias horas seguidas. Na construção dos primeiros automóveis os sistemas eram totalmente mecânicos, compostos por alavancas para a multiplicação da força de acionamento. Atualmente os automóveis contam com sistemas hidráulicos para esse fim, podendo ainda ser auxiliados por sistemas pneumáticos de servo assistência e, em alguns modelos, por sistemas hidráulicos pressurizados. Já veículos de grande porte (caminhões e ônibus) possuem sistemas de freio com acionamento pneumático, utilizando pressões da ordem de até 12 bar. 2.1 Hidráulica A palavra hidráulica deriva da raiz de origem grega hidro, que significa água. Hidráulica é a ciência que estuda características físicas e o comportamento dos fluidos líquidos, tanto em repouso (confinados em recipientes) ou em movimento (em escoamento). A chamada mecânica dos fluidos estuda esses comportamentos visando principalmente a aplicação em engenharia, utilizando os fluidos como meio de transmissão de potência. Um fluido e toda substância que escoa, sendo capaz de assumir a forma do recipiente onde está contida. Segundo essa definição, além dos líquidos, os elementos gasosos também são considerados fluidos. 2.2 Incompressibilidade dos fluidos hidráulicos Uma característica dos fluidos hidráulicos (líquidos) é serem incompressíveis. Isso significa que, independentemente da pressão a que são submetidos, a variação de volume é praticamente nula. A utilização dessa característica nos circuitos hidráulicos para a transmissão de pressão (consequentemente de forca), prevê que estes sejam hermeticamente fechados. A entrada de gases nesses circuitos compromete a sua eficiência, uma vez que os gases sofrem compressão, prejudicando a transmissão da pressão aos elementos do sistema. Considerando que os freios dos automóveis utilizam circuitos hidráulicos para o seu acionamento, a presença de gases (ar ou vapores de água) no interior 8  dos circuitos prejudica a eficiência da frenagem. Outro inconveniente da presença de gases no circuito é a degradação prematura do fluido por oxidação, exigindo manutenções mais frequentes para substituição. A presença de gases no circuito pode ser percebida pelo comportamento do pedal do freio ao ser acionado. Será necessário um curso de acionamento maior para atingir a pressão de frenagem, ficando o pedal com aspecto borrachudo ou esponjoso, como normalmente é conhecido o efeito da compressão dos gases presentes no circuito. 2.3 Pressão no circuito hidráulico O físico e matemático francês Blaise Pascal, em seus estudos sobre os fluídos, elaborou o chamado Princípio de Pascal, segundo o qual, a pressão aplicada num ponto de um fluido em repouso transmite-se integralmente a todos os pontos do fluido (Figura 3). Em um circuito hidráulico fechado, como nos circuitos de freio dos automóveis, a pressão aplicada em um determinado ponto, como no pedal do freio, atuará igualmente em todos os pontos do circuito, independentemente da distância do ponto de aplicação. Figura 3 – Princípio de Pascal Crédito: Elein K/Shutterstock. 9  2.4 Multiplicação das forças/áreas de atuação Fisicamente falando, a pressão é igual à força aplicada dividida pela área de aplicação: P = F/A. O conceito do Princípio de Pascal pode ser aplicado em circuitos hidráulicos para a multiplicação de forças, com inúmeras aplicações. Como a pressão é transmitida igualmente pelo fluido, a força pode ser multiplicada aumentando-se a área de aplicação (Figura 4). Figura 4 – Aplicação do Princípio de Pascal – Multiplicação de forças Crédito: K. K. T. Madhusanka/Shutterstock. Neste caso temos a força F1 sendo aplicada sobre a área A1, produzindo a pressão P, que, segundo o Princípio de Pascal, atua em todo o fluido. A pressão P, atuando sobre a área A2 resulta na força F2, maior que F1, proporcionalmente em função do aumento da área. Na imagem da Figura 5 temos um exemplo de aplicação da multiplicação de forças para elevadores hidráulicos. 10  Figura 5 – Multiplicação de forças num elevador hidráulico Crédito: Fouad A. Saad/Shutterstock. Como exemplo de cálculo, podemos utilizar a aplicação de uma força F1 de 50 Kgf atuando numa área A1 de 5 cm²: P = F1 / A1 P = 50 Kgf / 5 cm² P = 10 Kgf / cm² Se aplicarmos essa pressão em uma área de 200 cm², teremos: P = F2 / A2 10 Kgf / cm² = F2 / 200 cm² F₂ = 2000 Kgf Observamos, dessa forma, ser possível multiplicar a força disponível em um sistema hidráulico, aumentando a área de aplicação da pressão. Embora tenhamos a multiplicação da força, o deslocamento disponível será proporcionalmente menor, uma vez que o volume de fluido deslocado é o mesmo. Por exemplo, para um deslocamento de 10 cm do êmbolo 1, teremos um deslocamento de apenas 0,25 cm do êmbolo 2. Calculando o volume deslocado: Volume deslocado = área do êmbolo 1 x deslocamento V = 5 cm² x 10 cm 11  V = 50 cm³ Para o êmbolo 2: 50 cm³ = 200 cm² x D₂ D₂ = 50 cm³ / 200 cm² D₂ = 0,25 cm TEMA 3 – FLUIDOS HIDRÁULICOS NOS FREIOS VEICULARES Nos circuitos dos freios hidráulicos dos automóveis, o fluido deve transmitir a pressão produzida no cilindro mestre do sistema (acionado pela força aplicada ao pedal de freio) para os cilindros atuadores dos freios das rodas. Para cumprir adequadamente essa função, deve apresentar uma composição com características que atendam a determinados requisitos. O fluido de freio é um composto com mistura de glicóis, éteres, ésteres e aditivos, em proporções que atendam aos requisitos exigidos por normas como a NBR 9292/1991 – Líquidos para freios hidráulicos (tipos 2, 3, 4 e5) e NBR 9576/1991 – Líquidos para freios hidráulicos (tipos 2, 3, 4 e 5), para a determinação das características. Essas normas são baseadas na norma norte-americana DOT (Department of Transportation), que classifica os fluidos para freio nas categorias 3, 4, 5 e 5.1. Figura 6 – Classificação dos fluidos de freio Crédito: Alex LMX/Shutterstock. 12  Para atender a cada classificação, o fluido de freio apresenta características específicas, não devendo ser misturado com fluido de outra classificação, ou mesmo de outro fabricante. Durante a utilização do veículo é importante ser observado o período de substituição do fluido, recomendado pelo fabricante. A variação constante de temperatura, o acúmulo de resíduos proveniente de desgastes de componentes e a contaminação com água (contato com a umidade do ar no reservatório, Figura 7) geram a degradação do fluido (Figura 8), exigindo sua substituição periódica. Figura 7 – Reservatório do fluido de freio Crédito: Tiger Stocks/Shutterstock. 13  Figura 8 – Degradação do fluido (escurecido) Crédito: Rofikifor/Shutterstock. As categorias para classificação dos fluidos de freio consideram diversas características, sendo as principais delas listadas a seguir. 3.1 Teor de água Por se tratar de um fluido higroscópico (absorve umidade durante sua vida útil), a quantidade de água presente no fluido de freio afeta diretamente outras características importantes para o seu bom desempenho. O fluido deve tolerar a presença da umidade sem alterar significativamente seu ponto de ebulição e possibilidade de corrosão em componentes do circuito hidráulico. 3.2 Resistência à oxidação Essa característica deve garantir a estabilidade do fluido quando sujeito à ação do oxigênio do ar. A oxidação do fluido pode torná-lo agressivo a componentes metálicos do sistema de freios e também a componentes de borracha das vedações. 14  3.3 Índice de PH O fluido de freio deve apresentar uma alcalinidade controlada, com PH entre 7 e 11,5. Fluidos de boa qualidade possuem, em sua composição, aditivos que garantam a proteção contra oxidação dos componentes do sistema. Valores de PH do fluido muito altos, ou muito baixos, podem gerar corrosão e desgaste de componentes do sistema de freios. 3.4 Corrosividade Esse índice determina se o fluido é corrosivo para partes metálicas do circuito hidráulico. Como visto nos itens anteriores, a corrosão pode ser agravada com a presença de umidade e índice e PH inadequado. 3.5 Viscosidade cinemática A viscosidade cinemática está relacionada com a fluidez apresentada pelo fluido de freio no circuito hidráulico quando submetido às temperaturas extremas de trabalho. O sistema deve funcionar de forma satisfatória tanto em condições normais de uso como nas situações mais críticas. 3.6 Fluidez a aparência à baixa temperatura Diferente da anterior, essa característica determina a viscosidade do fluido e seu aspecto a baixas temperaturas. 3.7 Perda por evaporação Essa característica analisa o comportamento da fluidez do produto durante sua vida útil, considerando as perdas por evaporação. Como o fluido de freio está em contato com componentes que atingem grandes temperaturas, quanto menor for a perda por evaporação, maior será seu tempo de vida útil, atuando de maneira satisfatória. 3.8 Ponto de ebulição Característica de suma importância dos fluidos de freio. Devido às altas temperaturas de trabalho dos componentes de atrito, parte do calor produzido é 15  absorvido pelo fluido de freio, elevando sua temperatura. O ponto de ebulição deve ser tal que evite a formação de bolhas no circuito hidráulico, o que poderia comprometer severamente a eficiência da frenagem. Fluidos de classificação DOT 3 possuem um ponto de ebulição próximo dos 205 °C; já os de classificação DOT 4, este valor está na casa dos 230 °C; os de classificação DOT 5 apresentam ponto de ebulição na ordem de 250 °C. A contaminação do fluido com umidade pode reduzir as temperaturas de ebulição, aumentando significativamente o risco de falhas de frenagem em condições severas de utilização. 3.9 Estabilidade à alta temperatura Essa característica é utilizada para avaliar o comportamento do ponto de ebulição do fluido. Ele deve manter-se estável, mesmo com o fluido sendo submetido a sucessivos aquecimentos e resfriamentos, durante a utilização dos freios do veículo. 3.10 Efeito do fluido sobre a borracha As vedações (gaxetas) dos cilindros hidráulicos do sistema de freios estão constantemente em contato com o fluido. Seu tempo de vida depende da qualidade do fluido para não provocar alterações nas borrachas desses elementos, que poderiam comprometer a vedação. 3.11 Ponto de fulgor Indica o ponto (temperatura) em que o fluido começa a emitir vapores infamáveis (na presença de uma fonte de ignição, produzem combustão). A presença desses vapores (gases) pode comprometer a eficiência de frenagem, prejudicando a manutenção da pressão no sistema. TEMA 4 – COMPONENTES DE ACIONAMENTO DO SISTEMA DE FREIOS 4.1 Pedal de freio Composto por uma pedaleira (apoio) e uma haste, o pedal de freio atua como uma alavanca (Figura 9), multiplicando a força aplicada pelo condutor. A força aplicada é transferida ao cilindro mestre do freio pela haste de acionamento, responsável por deslocar o êmbolo que produzirá a pressão no fluido. 16  Figura 9 – Pedal do freio (D>d) Crédito: Fouad A. Saad/Shutterstock. 4.2 Elemento de servo assistência (servo freio) O chamado servo freio é um elemento de auxílio à frenagem, que tem por função multiplicar a força transferida pela haste de acionamento ao cilindro mestre. Dessa maneira, o processo de frenagem torna-se mais sensível ao condutor e mais eficiente, exigindo menor esforço físico. Sendo o sistema de assistência de frenagem mais utilizado em veículos leves, sua atuação ocorre de forma pneumática por depressão, combinada com a pressão atmosférica. Aumenta a força de atuação proporcionalmente à pressão exercida pelo condutor sobre o pedal de freio. Sua construção baseia-se em um cilindro de grande diâmetro composto por duas câmaras separadas por uma membrana tipo diafragma, com um disco de reação. Possui uma haste, que em sua parte traseira está ligada ao pedal de freio e à parte dianteira ao cilindro mestre. 17  Figura 10 – Servo freio Crédito: Bachtub Dmitrii/Shutterstock. Quando em repouso (não acionado), o disco de reação é mantido por uma mola no sentido do pedal do freio. Quando o motor do veículo entra em funcionamento, o ar do interior das câmaras do servo freio é sugado (pela depressão do coletor de admissão em motores ciclo Otto ou por uma bomba de vácuo em veículos de pequeno porte com motor diesel), criando a depressão no interior do servo freio. Ao ser acionado o pedal do freio, uma válvula na parte central do disco de reação interrompe a comunicação entre as câmaras dianteira e traseira. Ao mesmo tempo, uma outra válvula permite a entrada de ar na câmara traseira, criando a diferença de pressão que auxilia o deslocamento do disco de reação no sentido do cilindro mestre, aumentando a força de aplicação e reduzindo o esforço físico do condutor. Essa condição é mantida enquanto se pressiona o pedal de freio. Ao ser liberado o pedal, a entrada de ar na câmara traseira é fechada, sendo também restabelecida a comunicação entre as câmaras, igualando as pressões, retornando o disco de reação à posição de repouso pela ação da mola. A depressão é novamente criada no interior das câmaras, com o servo freio pronto para auxiliar em uma nova frenagem. 18  A atuação do dispositivo reduz significativamente o esforço do condutor na aplicação de força no pedal, devido à grande área de atuação da pressão em sua membrana interna e disco de reação. Figura 11 – Ilustração do servo freio, entre o pedal e o cilindro mestre Crédito: Fouad A. Saad/Shutterstock. 4.3 Cilindro mestre O cilindro mestre do circuito hidráulico (Figura 12) recebe a atuação da força de frenagem do conjunto pedal de freio e servo freio, convertendo essa força em pressão hidráulica no fluido. Através de tubulações, essa pressão será distribuída aos cilindros atuadores dos freios das rodas. Figura 12 – Cilindro mestre Crédito: Notsuperstar/Shutterstock. 19  Atualmente, todos os sistemas de freios hidráulicos veiculares contam com circuitos duplos. Internamente, o cilindro mestre conta com dois êmbolos separados, cada um deles responsável pela pressurização de um dos circuitos (primário e secundário), o que torna o sistema mais seguro e eficiente. Gaxetas internas garantem a vedação das câmaras de pressurização, com molas de retorno fazendo os êmbolos retornarem para a posição de repouso. Na imagem da Figura 13 temos a ilustração dos componentes internos do cilindro mestre. Figura 13 – Êmbolos e gaxetas do cilindro mestre Crédito: May Chanikran/Shutterstock. 4.4 Reservatórios de fluido de freio Geralmente posicionado sobre o cilindro mestre, armazena o fluido de freio para alimentar os circuitos hidráulicos. 20  Figura 14 – Reservatório do fluido de freio Crédito: Setthawuth/Shutterstock. Possui um sensor de nível de fluido em seu interior, ligado a uma luz indicadora no painel de instrumentos do veículo. O alerta de baixo nível de fluido no reservatório é importante para evitar entrada de ar nos circuitos do cilindro mestre, o que provocaria falhas de frenagem, comprometendo a segurança. Os circuitos hidráulicos dos freios são fechados, não havendo perda de fluido para o meio externo, quando em condições normais de funcionamento. As perdas por evaporação também são pequenas, o que significa que o baixo nível de fluido no reservatório indica necessidade de verificação de desgaste de lonas e pastilhas de freio, ou pode haver algum vazamento no sistema. 4.5 Tubulações dos circuitos hidráulicos As ligações entre o cilindro mestre e os cilindros atuadores nas rodas são feitas por tubulações rígidas (nas partes fixas à carroceria) e flexíveis (para acompanhar movimentos das suspensões e esterçamento das rodas). As tubulações rígidas são produzidas em aço, com espessura de parede adequada para suportar pressões da ordem de 250 kgf/cm². Recebem tratamentos superficiais para resistir à oxidação. Nos pontos com articulação as tubulações são flexíveis e, diferentes das tubulações rígidas, são constituídas das seguintes partes: 21  Tubo interno em polímero, responsável pela vedação do fluido; Revestimento feito em tranças de nylon ou poliéster, responsável por garantir a resistência mecânica ao tubo, suportando a alta pressão do fluido no circuito; Capa externa, também produzida em material polimérico (geralmente borracha), que desempenha a função de proteção da tubulação do esforço dos movimentos e também de agentes externos. Figura 15 – Tubulação de freio rígida Crédito: Aleksandr Kondratov/Shutterstock. 22  Figura 16 – Tubo de freio flexível Crédito: Aleksandrov 178/Shutterstock. 4.6 Válvulas hidráulicas A pressão de frenagem nos circuitos dos freios dianteiros e traseiros é obtida com o acionamento do cilindro mestre. Dessa maneira, a pressão hidráulica atuante é a mesma em todo o circuito. Ocorre que, no momento da frenagem, o peso do veículo é projetado com maior intensidade sobre o eixo dianteiro, devido à inércia do movimento. Para que haja um equilíbrio na frenagem, com maior pressão no eixo dianteiro, onde a carga é maior, são instaladas válvulas de redução da pressão nos freios traseiros. O objetivo é evitar o bloqueio prematuro das rodas traseiras durante as frenagens, o que poderia levar à perda de estabilidade e de controle do veículo. 4.6.1 Válvula reguladora de frenagem A configuração mais comumente utilizada dos circuitos duplos do freio é em diagonal, ou seja, uma roda dianteira com a traseira do lado oposto. As válvulas reguladoras são instaladas no cilindro mestre, nas conexões de saída 23  para os circuitos das rodas traseiras (circuitos primário e secundário). As válvulas reguladoras permitem a atuação simultânea dos freios traseiros em relação aos dianteiros, porém com uma pressão menor, gerando menores forças de frenagem nas rodas traseiras, evitando seu travamento. 4.6.2 Válvula corretora de frenagem sensível à carga Veículos utilitários leves e também caminhonetes podem utilizar a válvula corretora de frenagem sensível à carga. Nesse tipo de sistema, a válvula fica posicionada próxima ao eixo traseiro, ligada a ele através de um mecanismo de alavanca, sensível à altura da suspensão. A limitação da pressão para os freios traseiros é inversamente proporcional à carga sobre o eixo. Com o veículo sem carga, a pressão nos circuitos de freios traseiros é reduzida pela válvula, através do mecanismo de alavanca, evitando o bloqueio prematuro das rodas nas frenagens. À medida que a carga sobre o eixo traseiro aumenta, baixando a suspensão, diminui a ação da válvula de redução, até que a pressão se iguale aos circuitos dianteiros, quando o veículo está totalmente carregado. Com isso, os freios atuam com forças de frenagem semelhantes na dianteira e na traseira. 4.7 Cilindros atuadores Os cilindros atuadores dos freios recebem a pressão do fluido e convertem em forças para o deslocamento dos elementos de atrito. As dimensões dos êmbolos (pistões) dos cilindros são adequadas para cada aplicação, de acordo com as forças necessárias. De acordo com o tipo construtivo do sistema de freios das rodas, os atuadores podem estar montados entre as sapatas de freio, no interior dos tambores, ou nas pinças de freio que pressionam as pastilhas contra os discos. 4.7 Cilindros de freio a tambor Podem ser de ação simples ou dupla, possuem êmbolos providos de gaxetas de vedação, com área dimensionada de forma a proporcionar a força adequada de atrito entre as lonas de freio e a superfície interna dos tambores. Contam com um pequeno parafuso (sangrador) utilizado para a remoção de bolhas de ar do circuito hidráulico, em manutenções ou substituição do fluido. 24  Figura 17 – Cilindro atuador para freios a tambor Crédito: Another77/Shutterstock. Figura 18 – Cilindros atuadores para freios a tambor Crédito: StanislauV/Shutterstock. Figura 19 – Cilindro atuador para freios a tambor Crédito: Notsuperstar/Shutterstock. 25  4.8 Atuadores (pinças) para freios a disco Para os freios das rodas que utilizam os sistemas a disco, o atuador promove o atrito das pastilhas de freio contra as superfícies deste. Os atuadores podem ter ação simples ou dupla e possuir um ou mais pistões de atuação. Executam o movimento de pressionar (pinçar) as pastilhas de freio contra o disco (daí o nome pinça de freio). Também contam com os parafusos sangradores de ar do circuito. Figura 20 – Exemplo de pinças de freio (1) Crédito: Ilmarinfoto/Shutterstock. 26  Figura 21 – Exemplo de pinças de freio (2) Crédito: Dreamnikon/Shutterstock. TEMA 5 – CONFIGURAÇÕES DOS CIRCUITOS HIDRÁULICOS DOS FREIOS 5.1 Introdução Por questões de segurança, desde muitas décadas (no Brasil, desde os anos de 1980), os automóveis utilizam os sistemas de freios hidráulicos com circuito duplo. Para isso, vimos anteriormente que o cilindro mestre conta com dois atuadores independentes, formando câmaras separadas de pressurização do fluido. Cada um desses atuadores pressuriza um dos circuitos, que podem estar divididos de diferentes formas, conforme as características do veículo. 5.2 Circuito hidráulico em “H” Essa forma de construção divide os circuitos entre os eixos dianteiro e traseiro, ou seja, um circuito pressuriza os freios das rodas dianteiras e o outro das rodas traseiras. 27  Figura 22 – Circuitos dos freios em “H” (dianteiro e traseiro) Crédito: Udaix/Shutterstock. Com a separação da pressão de frenagem em dois circuitos, caso ocorra algum problema de perda de pressão em um circuito, o outro permanece atuando, garantido ainda a possibilidade de frear o veículo, ainda que com menor eficiência. A divisão dos circuitos em “H” é a menos utilizada, pois como a distribuição das cargas durante a frenagem é maior no eixo dianteiro, caso esse circuito falhe, o comprometimento da eficiência de frenagem também será maior que falhas no freio traseiro. Falhas de pressão no circuito traseiro, embora comprometam menos a eficiência da frenagem, podem causar perda de estabilidade, principalmente nas frenagens em curvas, uma vez que as rodas traseiras estabilizam o veículo. 5.3 Circuito hidráulico diagonal A configuração dos circuitos hidráulicos dos freios em diagonal é a mais utilizada nos automóveis, por oferecer maior segurança e melhor estabilidade em caso de falha de um deles. A atuação da pressão ocorre em uma roda dianteira e uma traseira em lados opostos. Em situação de perda de pressão em um dos circuitos, por 28  vazamentos ou dano de algum componente, a frenagem ainda pode ser executada com boa estabilidade direcional, mesmo necessitando de distâncias maiores até a parada, por conta da redução da eficiência. Figura 23 – Circuito de freio duplo em diagonal Crédito: Fouad A. Saad/Shutterstock. FINALIZANDO Nesta etapa, tivemos a oportunidade de conhecer os princípios de funcionamento de sistemas de freios automotivos, utilizando o atrito para a dissipação da energia cinética do veículo na forma de calor. Conhecemos a atuação da pressão hidráulica para promover o atrito e as características construtivas dos circuitos de freio nos automóveis. 29  Além disso, identificamos os principais componentes que atuam para converter a força aplicada no pedal de freio em frenagem atuante para a redução da rotação das rodas e consequentemente a frenagem do veículo. 30  REFERÊNCIAS BOSCH, R. Manual de tecnologia automotiva. São Paulo: Edgard Bücher Ltda., 2005. COSTA, P. G. A Bíblia do carro. [S.l.]: Edição do Autor, 2001. MILLIKEN, W. F. Race car vehicle dynamics. São Paulo: SAE Inc., 1995. 31