Nada é eterno, porém o sistema de freios deveria ser. Reduções de custo nos freios? Nem pensar. Para ser sincero, eu manteria o time de “contadores de feijão” distantes anos-luz da engenharia de projeto e desenvolvimento de freios, tamanha a importância desse sistema nos veículos.
Estendo a minha posição aos sistemas de suspensões e direção também, porém, o sistema de freios, em minha modesta opinião, é o principal em termos de segurança ativa dos veículos automotores. Os freios, por sua complexidade em termos funcionais, durabilidade e modos de falha, dependem diretamente da qualidade de seus componentes, tanto em materiais quanto em processos de fabricação.
Falando um pouco do sistema de freios
Ao atuarem, os freios dissipam a energia cinética do veículo através do torque de atrito resultante da pressão das pastilhas com os discos e/ou das lonas com os tambores, em forma de calor. As situações extremas são bem exemplificadas na foto de abertura, em que devido à elevada temperatura os discos de freio “acendem”.
Quanto maior a energia cinética ou peso do veículo, mais difícil se torna o trabalho dos freios.
Se considerarmos que a energia cinética é expressa pela fórmula Ec = m x v²/2, em que m é massa e v, velocidade, logo se percebe que a função velocidade, quadrática, influi mais que a massa do veículo.
É por esse motivo que quando se modifica um motor para mais potência e aumento de desempenho de um veículo, mesmo que sua massa se mantenha inalterada a maior velocidade que este passa a atingir requer estudo e repotenciamento dos freios.
Travamento de roda
Ocorrência de travamento das rodas durante as frenagens é condição totalmente indesejável, pois a energia cinética dissipada no escorregamento dos pneus com o solo é muito menor que a dissipada nos freios, com perda relevante na capacidade de desaceleração do veículo.
Além disso, quanto a roda está girando e é freada, temos aí a condição de atrito estático, que é muito maior do que o atrito de deslizamento. Para ilustrar, para se empurrar um objeto pesado qualquer faz-se mais força para iniciar o movimento (atrito estático) do que para mantê-lo (atrito de deslizamento).
Mais, o travamento das rodas impede que o pneu exerça força lateral. Com rodas dianteiras travadas não há controle de direção, por mais que se tente fazê-lo pelo volante. Quando são as rodas traseiras que travam, o menor caimento da pista provoca derrapagem, o chamado cavalo de pau, com consequências desastrosas em termos de segurança.
Com o sistema ABS (anti-lock brake system, sistema de freio antitravamento), desde janeiro de 2014 obrigatório para todos os veículos novos vendidos no Brasil, sensores de rotação em cada roda sinalizam a iminência de seu travamento para um conjunto controlador, que reduz a pressão hidráulica no circuito correspondente, evitando assim o bloqueio de cada roda individualmente.
Dificilmente se percebe, mas o controle de travamento significa ciclo de aplicação/desaplicação do freio de mais de 20 vezes por segundo.
Outro sistema complementar ao ABS é o EBD (electronic brake force distribution, distribuição eletrônica das forças de frenagem), que ajusta a distribuição de frenagem em função direta do carregamento do veículo, garantindo a eficiência máxima dos freios com o veículo vazio e crescente até o peso bruto total.
Melhor segurança em manobras, permitindo que o controle de direção seja mantido, sem travamento das rodas
Centro de gravidade
Os freios são projetados com base inicial na configuração do veículo, levando em consideração a altura do centro de gravidade, a distância entre eixos e o carregamento por roda, incluindo-se aí a localização do motor (dianteiro, central ou traseiro). Em desacelerações, quanto maior a altura do centro de gravidade e menor a distância entre eixos, tanto maior a transferência de carga para o eixo dianteiro, aliviando consequentemente a carga no eixo traseiro. Nesse ponto cabe salientar a vantagem do motor traseiro, em que a transferência de carga para a dianteira é bem menor, que torna mais eficaz a atuação do freio no respectivo eixo.
As forças verticais por roda geradas nas manobras/acelerações influenciam diretamente a participação de frenagem, mantendo a segurança como um todo, interagindo com os sistemas de direção e suspensões do veiculo.
O desenvolvimento
É complicado desenvolver um sistema de freios que interaja com o veículo como um todo, analisando possíveis falhas de projeto e/ou de processos de manufatura.
Dando um exemplo simples , os veículos mundiais, de maneira geral, são “tropicalizados” para cada mercado específico. Alteração nas cargas dos amortecedores e da altura de rodagem por meio de diferentes características das molas, com consequente alteração dos cursos de distensão e compressão das suspensões, são práticas comuns.
Dentro deste escopo, imagine o engenheiro de dinâmica veicular aumentar o curso de distensão das suspensões sem alertar o engenheiro de freio para que os dutos flexíveis de borracha das linhas hidráulicas, que acompanham o movimento das rodas, sejam alterados proporcionalmente em seu comprimento. Com probabilidade de rompimento dos flexíveis se trabalharem tensionados, é recall na certa.
Outro modo comum de falha que me vem à mente se refere às pastilhas e lonas de freio que, quando novas ainda sem estarem acamadas, resultam em menor área de contacto com os discos e/ou tambores e em eficácia dos freios, menor que a projetada. É por esta razão que existe um processo térmico de manufatura que, agindo na superfície do material de atrito, acelera o acamamento das partes. Este processo encarece o produto e os “contadores de feijão” podem facilmente eliminá-lo para redução de custos. Sem comentários…
Lembro-me de quando era engenheiro de freios durante o desenvolvimento do Escort para o Brasil, a aproximadamente a seis meses do lançamento nos deparamos com um problema de perda de pedal do freio. O curso do pedal aumentava gradativamente até chegar ao assoalho.
Após várias investigações descobrimos que o problema era causado por corte no copo de borracha do pistão acionador do cilindro-mestre, resultando em vazamento interno no cilindro. Foi rapidamente solucionado com a adição mandatória de processo de escareação do furo de compensação, eliminando possíveis rebarbas de usinagem (o furo de compensação atua na equalização das pressões hidráulicas no cilindro-mestre, durante o acionamento do pedal).
Modos de falha dos freios
Como didática, listo abaixo alguns principais modos de falha dos freios:
• Entupimento dos flexíveis de borracha, causado por deterioração do material, limitando a pressão hidráulica nas rodas e redução da atuação dos pistões, diminuindo a drasticamente a capacidade de frenagem;
• Curso excessivo do pedal causado por ar no sistema devido a sangria malfeita e/ou contaminação do fluido hidráulico por água, com consequente redução de sua temperatura de ebulição e formação de vapor;
• Trepidação do freio durante as frenagens, causada por empenamento da pista dos discos e/ou dos tambores;
• Aumento de curso do pedal de freio na primeira aplicação devido a folga dos rolamentos de roda ou deformação elástica da manga de eixo;
• Falha no sistema de retorno do pistão de acionamento, mantendo o freio pré-atuado. O aquecimento excessivo do material de atrito pode chegar à significativa perda na eficiência de frenagem;
• Aumento de esforço no pedal causado por perda de eficiência do servofreio, causado por vazamento entre as câmaras de vácuo e atmosférica;
• Trepidação do pedal causado por acionamento prematuro do sistema ABS por deficiência de projeto e/ou por falha nas válvulas de controle;
• Ruído de alta frequência ao frear (chiado), causado por material de atrito com pontos de dureza variável ao longo da superfície de atuação. Normalmente é um problema de qualidade das pastilhas e/ou das lonas de freio, embora não signifique necessariamente redução da capacidade de frenagem, sendo apenas um incômodo.
Ainda bem que nos últimos vinte anos o sistema de freio tem contado progressivamente com normas de segurança e processos de manufatura que preservam sua integridade.
Cada vez mais, projetos e processos de manufatura de sistemas de freio estão garantindo a segurança do veículo.
Com este monte de eletrônica embarcada no sistema de freios, se por um lado é muito bom por garantir reações controladas e interdependentes, por outro quanto mais componentes, tanto maiores as probabilidades de falhas.
A inteligência do engenheiro é fundamental para o acerto do sistema, envolvendo processos de manufatura, custos e integração veicular.
CM
