MINISTRIO DA EDUCAO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

PROJETO E CONSTRUO DE UM TRIBMETRO COM CONTROLE

INDEPENDENTE DA TEMPERATURA DO DISCO

por

Patric Daniel Neis

Tese para obteno do Ttulo de

Doutor em Engenharia

Porto Alegre, Novembro de 2012

PROJETO E CONSTRUO DE UM TRIBMETRO COM CONTROLE

INDEPENDENTE DA TEMPERATURA DO DISCO

por

Patric Daniel Neis

Mestre em Engenharia

Tese submetida ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica, da Escola

de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos

necessrios para a obteno do Ttulo de

Doutor em Engenharia

rea de Concentrao: Processos de Fabricao

Orientador: Prof. Dr. Ney Francisco Ferreira

Comisso de Avaliao:

Prof. Dr. Eduardo Andr Perondi.....................................................PROMEC / UFRGS

Prof. Dr. Marcos Roberto Soares...............Universidade de Caxias do Sul e Fras-le SA

Prof. Dr. Jose Daniel Biasoli de Mello....................Universidade Federal de Uberlndia

Prof. Dr. Francis H. R. Frana

Coordenador do PROMEC

Porto Alegre, 23 de Novembro de 2012

iii

AGRADECIMENTOS

Primeiramente, agradeo a Deus por iluminar o caminho trilhado, me dando fora nas

horas difceis.

Aos meus pais Benno e Iria, por todo apoio e amor que recebi ao longo destes anos.

A minha famlia, especialmente as irms Vera, Sandra, Diana e Ana.

A minha namorada Adriana, por toda pacincia, compreenso, carinho e preocupao

por mim.

Ao meu orientador Prof. Dr. Ney Ferreira pela ajuda, disponibilidade e pacincia que

teve (e continua tendo) comigo.

Ao Prof. Dr Patrick De Baets da Universidade de Gent, na Blgica, pela sua

contribuio e apoio ao meu doutorado.

Ao Prof. Dr. Heraldo, pelas suas palavras de incentivo.

Ao Prof. Dr. Ruben, pela sua grande contribuio no entendimento das incertezas de

medio.

iv

RESUMO

A presente tese descreve as etapas de desenvolvimento de um equipamento (tribmetro) e

metodologia de ensaio para caracterizao do efeito isolado da temperatura sobre o atrito

medido em materiais de frico utilizados em freios veiculares. O projeto deste equipamento

foi baseado nas funcionalidades e limitaes encontradas nas principais mquinas e

procedimentos de ensaio para freios automotivos. So apresentados e discutidos detalhes do

projeto mecnico e de automao do tribmetro, bem como so levantadas suas incertezas de

medio instrumentais e preciso. Alm disso, proposta uma nova metodologia de ensaio

para caracterizao do efeito isolado da temperatura sobre os resultados de atrito obtidos

durante os testes. O projeto mecnico atual do tribmetro contempla recursos que contribuem

para facilitar a operacionalidade do equipamento e, consequentemente, reduzir o tempo

envolvido na etapa de preparao dos testes. So exemplos destes recursos um mecanismo de

fuso e manivela, o qual empregado para a regulagem do raio de deslizamento, e um

dispositivo para troca rpida da amostra a partir do ajuste de um nico parafuso. O atual

projeto de automao do tribmetro composto por circuitos de controle da carga, rotao,

torque e temperatura, os quais operam em malha fechada. A incerteza instrumental do sistema

de medio de atrito do tribmetro igual a 2,9% do valor nominal medido, considerando a

faixa tpica de aplicao da mquina. Em termos de preciso, verificou-se experimentalmente

que o equipamento projetado apresenta uma repetitividade de 0,013. O projeto de automao

tambm contemplou a ligao do tribmetro a um aquecedor indutivo. O uso da referida

tecnologia em conjunto com a metodologia de ensaio proposta na presente tese mostraram-se

capazes de caracterizar de forma acelerada e independente o efeito da temperatura sobre o

coeficiente de atrito obtido a partir de ensaios de frenagem executados no tribmetro.

Complementa o estudo ainda o desenvolvimento de uma tcnica para ps-processamento dos

dados relativos aos ensaios executados no tribmetro segundo a metodologia proposta. A

referida tcnica mostrou-se uma maneira eficiente e relativamente simples de avaliar os

efeitos simultneos da carga e da temperatura sobre o atrito.

Palavras-chave: tribmetro; freio; frenagem; atrito.

v

ABSTRACT

The current thesis describes the development of equipment (tribometer) and testing procedure

for characterizing the isolated effect of temperature on friction measurements obtained from

vehicular friction materials. The design of this equipment was based on the features and

limitations found in the main machinery and testing procedures for brakes. Details about the

mechanical design and automation of the tribometer are presented as well as its instrumental

measurement uncertainties and precision. Besides, a new testing procedure is proposed in

order to characterize the isolated effect of temperature on friction results obtained in the tests.

The current mechanical design of the tribometer comprises some features that contribute to

make the equipment operation ease and thus reduce its setup time. A crank and screw

mechanism, which is used for adjusting the sliding radius, and a device for rapid exchange of

the samples by means of a single screw are both examples of those features. The current

automation design of the tribometer consists of circuits for controlling load, speed, torque and

temperature, which operate in closed loop mode. The instrumental measurement uncertainty

from the friction measuring system is 2,9% of the nominal friction measurement,

considering the typical operating range of the machine. Experimental tests performed on the

tribometer showed that the repeatability (precision) of the friction measurements is 0,013.

The automation design also included the connection between the tribometer and an induction

heater. The use of this technology together with the proposed testing procedure proved to be a

suitable tool for characterizing the isolated effect of temperature on friction during braking

tests performed on the tribometer. This work is also complemented by the development of a

technique for post-processing the data related to the tests carried out in accordance with the

proposed testing procedure for the tribometer. This technique proved to be an efficient and

clear way to assess the simultaneous effects of load and temperature on friction

measurements.

Keywords: tribometer; brake; braking; friction.

vi

NDICE

1 INTRODUO ........................................................................................................ 1

2 OBJETIVO ............................................................................................................... 3

3 REVISO BIBLIOGRFICA ................................................................................. 4

3.1 Conceito de Tribologia ............................................................................................. 4

3.2 Importncia da Tribologia......................................................................................... 4

3.3 Conceito e Mecanismos de Atrito ............................................................................. 6

3.4 Materiais de Frico .................................................................................................. 8

3.5 Fatores que Influenciam no Desempenho dos Materiais de Frico ........................ 9

3.5.1 A Composio Qumica e a Microestrutura dos Materiais de Frico ................ 10 3.5.2 Rugosidade do Disco ........................................................................................... 11

3.5.3 Velocidade de Deslizamento ............................................................................... 11 3.5.4 Condio Ambiental ............................................................................................ 13 3.5.5 Presso de Contato ............................................................................................... 14 3.5.6 Filme de Frico .................................................................................................. 15

3.5.7 A Influncia do Histrico Trmico e de Carga .................................................... 16 3.5.8 Influncia da Temperatura do Disco .................................................................... 17

3.6 O Estado da Arte - As Mquinas de Ensaios .......................................................... 18

3.6.1 Dinammetro Inercial .......................................................................................... 19

3.6.2 Mquina Chase .................................................................................................... 21 3.6.3 FAST (Friction Assessment and Screening Test) ................................................ 22 3.6.4 Mquinas em escala ............................................................................................. 23

3.6.5 Tribmetros .......................................................................................................... 23

3.6.6 Avaliao de um Tribmetro de Frenagem da Literatura .................................... 24

3.7 O Estado da Arte - Procedimentos de Ensaios ....................................................... 26

4 SOLUES PARA AS LIMITAES DO TRIBMETRO CONSTRUDO

NO MESTRADO ...................................................................................................... 33

4.1 Melhorias no Projeto Mecnico .............................................................................. 33

4.2 Melhorias no Projeto de Automao e Controle ..................................................... 37

5 AS INCERTEZAS DE MEDIO DO TRIBMETRO ........................................ 55

5.1 Incerteza de Medio Instrumental da Temperatura do Disco ............................... 56

5.1.1 Mtodo de Medio por Contato ......................................................................... 56 5.1.2 Mtodo de Medio Sem Contato ....................................................................... 57

5.2 Incerteza de Medio Instrumental do Torque e da Fora Normal ........................ 59

5.3 Incerteza de Medio Instrumental da Velocidade de Rotao .............................. 60

5.4 Incerteza de Medio Instrumental do Coeficiente de Atrito ................................. 61

5.5 Ajuste dos Sistemas de Medio e Circuitos de Controle ...................................... 64

vii

5.5.1 Ajuste Esttico do Sistema de Medio da Temperatura .................................... 65 5.5.2 Ajuste Esttico do Sistema de Medio do Torque ............................................. 66

5.5.3 Ajuste Esttico do Sistema de Medio da Carga ............................................... 67 5.5.4 Ajuste Dinmico do Circuito de Controle da Temperatura ................................. 69 5.5.5 Ajuste Dinmico do Circuito de Controle do Torque .......................................... 70 5.5.6 Ajuste Dinmico do Circuito de Controle da Carga ............................................ 72

5.6 Outras Estimativas .................................................................................................. 74

5.7 Levantamento da Repetitividade das Medidas de Atrito ........................................ 77

6 METODOLOGIA DE ENSAIO NO TRIBMETRO ............................................. 80

7 OUTROS RECURSOS DISPONIBILIZADOS PELO TRIBMETRO ................. 90

7.1 Avaliao do Efeito de Stick-slip ............................................................................ 90

7.2 Avaliao da Histerese no Atrito ............................................................................ 90

7.3 Simulao de Torque ou Carga Residual entre Frenagens ..................................... 92

7.4 Ensaio em Velocidade Constante............................................................................ 94

7.5 Frenagens sob Diferentes Nveis de Variao de Temperatura .............................. 94

8 CONCLUSES ........................................................................................................ 96

9 TEMAS FUTUROS .................................................................................................. 97

10 REFERNCIAS BIBLOGRFICAS ..................................................................... 99

11 PUBLICAES DO AUTOR ................................................................................ 108

12 APNDICE A Comparativo entre mquinas de ensaio ....................................... 112

13 APNDICE B Procedimento de ajuste dos controladores pids ......................... 113

14 APNDICE C Procedimento de preparao dos testes ....................................... 114

15 APNDICE D Procedimento de alinhamento do disco ....................................... 115

16 APNDICE E Metodologia de ensaio para caracterizao do efeito isolado .....

da temperatura ......................................................................................................... 116

viii

LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1 Distribuio das perdas de energia de um automvel ............................................ 5 Figura 3.2 - Coeficiente de atrito obtido entre uma pastilha e um disco com setores de

acabamento grosseiro devido ao processo de jato de areia. ............................................. 11

Figura 3.3 - Variao do atrito com a velocidade..................................................................... 12 Figura 3.4 - Efeito da velocidade sobre o atrito ....................................................................... 13 Figura 3.5 - Evoluo do atrito com a presso de contato ........................................................ 15 Figura 3.6 - Anlise de 3 etapas de ensaios executadas sob iguais condies de operao,

porm com diferentes histricos de frenagen ................................................................... 16

Figura 3.7 - Esquema de um dinammetro inercial ................................................................. 19 Figura 3.8 - Modos de operao do tribmetro investigado: (a) modo carga constante e (b)

modo velocidade e torque constante . ............................................................................... 25 Figura 3.9 - Modos de operao do tribmetro do GPFAI/UFRGS: modo carga ou torque

constante durante (a) ciclos de frenagens ou (b) ciclos em velocidade de arrasto

constante. .......................................................................................................................... 25

Figura 3.10 Grficos comparativos em termos de (a) coeficiente de atrito e (b) distncia de frenagem entre os resultados do tribmetro investigado e de uma bancada de teste em

tamanho real ..................................................................................................................... 26 Figura 3.11 - Curvas tpicas de uma frenagem obtida na etapa de caracterizao a verde, onde

em (a) tem-se o torque e a presso do cilindro atuador em relao ao tempo e em (b) tem-

se o coeficiente de atrito e a rotao do disco versus tempo. ........................................... 29 Figura 3.12 - Curva tpica da desacelerao do disco obtida na caracterizao a verde. ......... 29

Figura 3.13 - Curvas tpicas de uma frenagem obtida na etapa de fade, onde em (a) tem-se o

torque de frenagem e a presso do cilindro atuador em relao ao tempo e em (b) o

coeficiente de atrito e a rotao do disco versus tempo. .................................................. 31

Figura 3.14 - Curva tpica da desacelerao do disco durante uma etapa de fade. .................. 32

Figura 4.1 Vista tridimensional do tribmetro. ..................................................................... 33 Figura 4.2 - Fotografia ilustrando a possibilidade de extrao de dois corpos de prova de uma

mesma pastilha de freio. ................................................................................................... 36

Figura 4.3 Instrumentao do disco de freio para a utilizao de duas pistas de atrito sobre cada uma de suas faces. .................................................................................................... 37

Figura 4.4- Sistema de medio tridimensional empregado no alinhamento dos dispositivos

utilizados no projeto atual tribmetro. .............................................................................. 37 Figura 4.5- Curvas de fora obtidas em ensaios realizados na verso do tribmetro

apresentada no mestrado ................................................................................................... 38 Figura 4.6 - Verso do tribmetro apresentada no mestrado: efeitos de dilatao/contrao

trmica dos componentes da mquina sobre a medio da fora .................................... 39

Figura 4.7 - Circuito de controle e medio da carga empregado no projeto atual do

tribmetro. ........................................................................................................................ 40

Figura 4.8 - Curvas de temperatura e fora obtidas a partir de um ensaio na verso atual do

tribmetro, evidenciando a melhoria no sistema de controle da carga. ............................ 41

Figura 4.9 - Circuito de controle e medio do torque de frenagem empregado na verso atual

do tribmetro. ................................................................................................................... 42 Figura 4.10 - Desenho das partes integrantes do transdutor de torque utilizado no tribmetro

.......................................................................................................................................... 42

ix

Figura 4.11 - Curva de torque versus tempo, avaliada a 2000 rpm, sem aplicao de fora e

partindo da temperatura ambiente. ................................................................................... 43

Figura 4.12 - Relao entre torque e rotao, obtida experimentalmente imediatamente aps o

procedimento de pr-aquecimento dos mancais sob a condio de 2000 rpm por 600s. . 44 Figura 4.13 - Curva de torque avaliada para diferentes nveis de desacelerao do eixo. ....... 45 Figura 4.14 - Curva tpica de stick-slip medido na verso atual do tribmetro. ....................... 47 Figura 4.15 - Circuito de medio e controle e da rotao empregado na verso atual do

tribmetro. ........................................................................................................................ 48 Figura 4.16 - Circuito de controle e medio da temperatura empregado no projeto atual do

tribmetro. ........................................................................................................................ 49 Figura 4.17 - Sistema de aquecimento do disco por processo de induo eletromagntica: (a)

aquecedor indutivo e (b) detalhe da bobina instalada sobre o disco do tribmetro. ......... 51

Figura 4.18 - Tribmetro comercial que emprega sistema de aquecimento do disco por meio

de resistncia eltrica ........................................................................................................ 52

Figura 4.19 - Processo de aquecimento e resfriamento do disco obtidos por meio das

tecnologias empregadas na verso do tribmetro apresentada no mestrado .................... 53 Figura 4.20 - Curva de temperatura destacando perodo de aquecimento do disco do

tribmetro por meio de induo eletromagntica. ............................................................ 54

Figura 5.1 Circuito empregado no ajuste esttico do sistema de medio da temperatura. .. 65 Figura 5.2 Fotografia tirada durante a calibrao do sistema de medio do torque. ........... 66 Figura 5.3 Curva de temperatura mdia obtida a partir de 3 repeties do experimento para

avaliar o ajuste do controlador PID do circuito de controle da temperatura. ................... 69 Figura 5.4 - Algumas curvas de torque obtidas experimentalmente a partir da avaliao do

efeito do ajuste do circuito de controle dessa varivel. .................................................... 71 Figura 5.5 Curvas de fora normal obtidas a partir da execuo do experimento de avaliao

do efeito do ajuste dinmico do circuito de controle da carga. ........................................ 73 Figura 5.6 Ilustrao de uma curva de temperatura tpica, obtida experimentalmente a partir

de frenagens executadas com temperatura inicial de 100C. ............................................ 75 Figura 5.7 - Curvas de rotao e torque, obtidas na condio de desacelerao mxima

(575 rpm/s) encontrada durante o levantamento da capacidade do mdulo de rotao. .. 77

Figura 5.8 - Curvas de atrito mdio versus nmero da frenagem, obtidas a partir do

experimento de avaliao da repetitividade do tribmetro. .............................................. 78 Figura 5.9 - Histogramas do coeficiente de atrito determinados para a amostra semi-metlica

011, dimetro de 24mm, avaliado entre as frenagens (a) 1 a 460 e (b) 51 a 460. ............ 79 Figura 6.1 - Evoluo da temperatura do disco a cada frenagem do ciclo de fade executado no

dinammetro e no tribmetro (amostra de 34 mm e disco de 6 mm, isolado). ................ 81

Figura 6.2 - Coeficiente de atrito do ciclo de fade executado no dinammetro e reproduzido

no tribmetro com a amostra de 34 mm de dimetro e disco de espessura de 6 mm,

isolado. .............................................................................................................................. 82 Figura 6.3 - Detalhe da transio entre dois patamares de temperatura inicial (de 100C para

200C) atravs do processo de aquecimento por induo. ............................................... 84 Figura 6.4 - Dados de atrito mdio referentes ao primeiro ciclo de frenagem, referentes a

primeira proposta de metodologia de ensaio com o uso do aquecedor indutivo. ............. 85

Figura 6.5 - Dados de atrito mdio obtidos para todos os ciclos de frenagens, referentes a

primeira proposta de metodologia de ensaio com o uso do aquecedor indutivo. ............. 86 Figura 6.6 - Dados de atrito mdio obtidos para todos os ciclos de frenagens, referentes a

segunda proposta de metodologia de ensaio com o uso do aquecedor indutivo. ............. 88

x

Figura 6.7 - Efeitos da temperatura e da carga sobre os resultados mdios de atrito dos ciclos

de frenagens. ..................................................................................................................... 89

Figura 7.1 - Tribmetro linear do tipo alternativo existente na Universidade de Ghent, na

Blgica .............................................................................................................................. 91 Figura 7.2 - Tipos de ondas que podem ser ajustadas para o controle da velocidade do

tribmetro: (a) onda senoidal e (b) onda quadrada. .......................................................... 92 Figura 7.3 - Curva tpica de histerese do atrito obtida pelo tribmetro do GPFAI/UFRGS. ... 92

Figura 7.4 - Ciclos de frenagens intercalados pela condio de carga residual de arrasto da

amostra sobre o disco. ...................................................................................................... 93 Figura 7.5 - Ilustrao de um ensaio executado sob diferentes nveis de temperatura do disco e

sob velocidade constante do disco. ................................................................................... 94 Figura 7.6 - Curvas mdias de temperatura relativas aos ensaios das sees 1, 2 e 3. ............. 95

xi

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 - Sequncia de temperaturas iniciais de cada frenagem da etapa de fade. ............. 31 Tabela 4.1 Esquema dos procedimentos e respectivos polinmios empregados para correo

das medidas de torque do tribmetro. ............................................................................... 46 Tabela 5.1 Procedimentos empregados no estudo das incertezas de medio do tribmetro.

.......................................................................................................................................... 55 Tabela 5.2 - Dados dos dispositivos envolvidos na medio da temperatura pelo mtodo por

contato de termopar. ......................................................................................................... 56 Tabela 5.3 - Resultados da avaliao da incerteza de medio instrumental da temperatura,

obtidos para o mtodo por contado de termopar. ............................................................. 57

Tabela 5.4 - Especificao tcnica dos instrumentos e dispositivos envolvidos na medio da

temperatura via mtodo sem contato. ............................................................................... 58

Tabela 5.5 - Resultados das incertezas de medio instrumental da temperatura pelo mtodo

sem contato. ...................................................................................................................... 58 Tabela 5.6 Especificaes tcnicas dos instrumentos e dispositivos envolvidos no processo

de medio do torque e da fora normal pelo tribmetro. ................................................ 59 Tabela 5.7 - Dados dos dispositivos envolvidos na medio da rotao do tribmetro. .......... 60

Tabela 5.8 - Incertezas de medio instrumental do atrito medido pelo tribmetro. ............... 63 Tabela 5.9 Resultados do experimento de ajuste esttico e calibrao do sistema de medio

do torque. .......................................................................................................................... 67 Tabela 5.10 Resultados do experimento de ajuste dinmico do circuito de controle da

temperatura. ...................................................................................................................... 70

Tabela 5.11 - Parmetros operacionais empregados no experimento para avaliar a resposta do

circuito de controle do torque, aps a seu ajuste. ............................................................. 71

Tabela 5.12 - Parmetros operacionais empregados no experimento para avaliar a resposta do

circuito de controle da carga, aps o seu ajuste. ............................................................... 73

Tabela 5.13 Resultados da avaliao do efeito do ajuste do circuito de controle da carga. .. 74 Tabela 5.14 Parmetros operacionais empregados no experimento de avaliao da

repetitividade das medidas de atrito do tribmetro. ......................................................... 78 Tabela 5.15 Resultados de repetitividade obtidos nas medidas de atrito do tribmetro. ...... 79 Tabela 6.1 - Configurao dos ensaios executados de acordo com a primeira proposta de

metodologia de avaliao do efeito da temperatura sobre o atrito com o uso integrado do

tribmetro com o aquecedor indutivo. .............................................................................. 84

Tabela 6.2 - Configurao dos ensaios executados de acordo com a segunda proposta de

metodologia de avaliao do efeito da temperatura sobre o atrito com o uso integrado do

tribmetro com o aquecedor indutivo. .............................................................................. 87

xii

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

GPFAI Grupo de Projetos, Fabricao e Automao Industrial

PROMEC Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica

UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul

xiii

LISTA DE SMBOLOS (Unidades no sistema internacional)

coeficiente de atrito, [adm]

T torque frenante, [Nm]

eficincia mecnica do sistema de freio, [adm]

Pacion presso de acionamento, [Pa]

P0 presso necessria para superar a fora da mola de retorno e o atrito do pisto com o

cliper, [Pa]

Apisto rea do pisto, [m]

Re raio de deslizamento ou raio efetivo, [m]

U(TK) incerteza de medio instrumental do sistema de medio da temperatura por

termopar, [C]

u(k) incerteza associada ao termopar tipo k, [C]

u(ck) incerteza associada ao condicionador de sinal do termopar, [C]

u(sa) incerteza padro associada capacidade de resoluo do sistema de aquisio e

controle de dados, [C]

U(TSC) incerteza de medio instrumental da temperatura pelo mtodo sem contato, [C]

u(p) incerteza associada ao pirmetro, [C]

U(G) incerteza de medio instrumental da grandeza em questo, [unidades de G]

u(s) incerteza associada ao sensor, [unidades de G]

u(c) incerteza associada ao condicionador ligado ao sensor, [unidades de G]

u(sag) incerteza associada capacidade de resoluo do sistema de aquisio e controle de

dados, [unidades de G]

U(rot) incerteza de medio instrumental do sistema de medio da rotao, [rpm]

u(e) incerteza associada a capacidade de resoluo do encoder, [rpm]

u(ms) incerteza associada capacidade de resoluo da sada do mdulo analgico do

inversor, [rpm]

u(sar) incerteza associada capacidade de resoluo do sistema de aquisio e controle de

dados, [rpm]

M torque de frenagem, [Nm]

FN fora normal, [N]

R raio de deslizamento, [m]

xiv

f funo f(x1,x2,x3, ..., xn)

x1, x2, x3, ... ,xn, grandezas de entrada consideradas na funo f, [unidades da grandeza]

r(xi, xj) coeficiente de correlao entre as grandezas de entrada xi e xj,[adimensional]

U() incerteza combinada do coeficiente de atrito, [adimensional]

u(M) incerteza do torque, [Nm]

u(R) incerteza do raio de deslizamento, [m]

F fora normal, [ N]

u(F) incerteza da fora normal, [N]

u(V) incerteza da tenso medida a partir de um multmetro digital, [mV]

p preciso do multmetro, [%]

V tenso medida, [V]

d nmero de dgitos menos significativos do instrumento, [adm]

Rs resoluo do multmetro, [mV]

I inrcia do sistema rotativo equivalente a inrcia do veculo avaliado, [kgm]

velocidade angular do disco de freio, cujo sub-ndice i representa a velocidade

inicial e o sub-ndice f representa a velocidade final [rad/s].

Ap rea da pastilha (ou par de pastilhas) utilizada, [m]

i inrcia empregada no tribmetro, [kgm]

ap rea da amostra do tribmetro, [m]

r raio de deslizamento do tribmetro, [m]

desacelerao angular do tribmetro, [rad/s]

t durao da frenagem, [s]

Tt torque de frenagem que deve ser empregado no tribmetro, [Nm]

1

1 INTRODUO

At meados da dcada de 50, os testes envolvendo sistemas de freio eram avaliados

unicamente sobre os veculos, atravs de ensaios realizados em campo. Entretanto, essa

metodologia implica em custos elevados devido ao tempo envolvido no processo de

preparao e execuo da mesma. Alm disso, diferentes motoristas, variaes nas condies

ambientais e fatores externos, como a trafegabilidade, podem dificultar bastante as anlises

dos resultados durante ensaios realizados em veculo [Tsang et al., 1985; Rusnak et al., 1970;

Rhee e Schwartz, 1979]. Atualmente, a maioria dos ensaios com materiais de frico

utilizados em freios automotivos tem sido realizada em bancadas de laboratrios. Testes em

veculos continuam sendo importantes, porm com faixa de aplicao restrita a avaliaes de

ergonomia, conforto e rudo do sistema de freio bem como para confirmao de resultados

observados em bancada (dinammetro inercial) e homologao do veculo junto aos rgos

reguladores de trnsito [Mller, 2009].

A metodologia de avaliao de frenagens atravs de bancadas em laboratrio apresenta

uma srie de vantagens, como facilidade de instrumentao e um controle mais preciso das

variveis envolvidas no processo de ensaio, alm de um menor tempo gasto na execuo dos

testes e reduo dos custos envolvidos [Rusnak et al., 1970; Timte, 2000].

Existem diversos tipos de mquinas com a finalidade de ensaiar materiais de frico

utilizados em freios veiculares. Conforme apontam algumas publicaes [Rusnak et al., 1970;

Zimmer e Teves, 1982], devido s caractersticas construtivas e tecnologias empregadas, cada

mquina especialmente indicada para um tipo especfico de avaliao. A metodologia de

ensaio de cada equipamento de teste descrita por procedimentos ou normas especficas.

Entretanto, nenhum dos equipamentos descritos pela literatura capaz de avaliar de

maneira rpida e precisa o efeito exclusivo da temperatura sobre os resultados de atrito dos

materiais. Em dinammetros inerciais, essa varivel geralmente avaliada atravs de

sucessivas aplicaes dos freios, de forma a elevar a temperatura do disco numa espcie de

efeito acumulativo de calor. Ensaios executados sobre dinammetros so custosos, uma vez

que levam dias para serem concludos, necessitam um disco novo por procedimento e a

anlise dos resultados pode ser considerada relativamente complexa dada a elevada

quantidade de dados que so gerados.

2

Outros equipamentos de ensaio, como a mquina Chase ou a FAST, podem submeter

os materiais a temperaturas da ordem de 300C ou mais. Porm, os ensaios nestas mquinas

so realizados em condies de velocidade de arrasto constante da amostra sobre o disco,

situao descrita no texto introdutrio da norma ISO 26867, 2009, como uma aproximao

limitada para caracterizao de materiais de frico, uma vez que a desacelerao do rotor

(disco) geralmente esperada em uma condio tpica de frenagem veicular.

Com o objetivo de superar as limitaes acima mencionadas e, ao mesmo tempo,

possibilitar a avaliao isolada do efeito da temperatura sobre os resultados de atrito de

materiais de frico, um tribmetro foi especialmente projetado. Na presente tese, as

caractersticas das principais mquinas de ensaios e procedimentos (normas) para testes de

freios so descritas, com foco especial no que diz respeito as suas limitaes e na forma como

a questo da temperatura abordada por esses equipamentos e metodologias. O projeto do

tribmetro tambm discutido no decorrer desse trabalho, bem como so apresentadas as suas

incertezas de medio instrumentais e preciso. Alm disso, proposta uma nova

metodologia de ensaio para caracterizao do efeito da temperatura sobre o atrito obtido a

partir do uso integrado do tribmetro com um aquecedor indutivo. Por ltimo, uma tcnica

para ps-processamento dos dados dos ensaios apresentada, a qual associada metodologia

de ensaio permite avaliar de maneira clara e relativamente rpida o efeito da carga e

temperatura sobre o atrito medido durante os ensaios.

3

2 OBJETIVO

Desenvolver um equipamento para ensaiar materiais de frico veiculares capaz de

controlar separadamente a temperatura do disco, proporcionando a avaliao isolada desta

varivel frente aos demais parmetros operacionais de frenagem.

Objetivos especficos

1. Estado da arte: i) identificao, com base na literatura especializada, das funcionalidades e

limitaes relativas s principais mquinas de ensaio para materiais de frico, com especial

ateno no que diz respeito ao controle da varivel temperatura (quando houver), ii)

levantamento das dificuldades relativas s principais metodologias e procedimentos de ensaio

com materiais de frico (normas), com foco particularmente voltado forma como esses

documentos abordam a questo da anlise da temperatura durante os testes.

2. Apontar as limitaes do tribmetro do autor construdo no trabalho de mestrado e propor

solues para o seu projeto mecnico e de automao;

3. Determinao das incertezas instrumentais bem como da preciso do tribmetro projetado

para a faixa de operao deste equipamento.

4. Aplicao de solues voltadas ao desenvolvimento de uma nova metodologia de ensaios

capaz de avaliar de forma acelerada e independente o efeito da temperatura no coeficiente de

atrito de materiais de frico.

5. Apontar vantagens e/ou desvantagens do equipamento e metodologia propostos.

4

3 REVISO BIBLIOGRFICA

3.1 Conceito de Tribologia

De acordo Halling, 1975, tribologia uma palavra derivada do grego, onde tribos

literalmente significa atrito ou frico. Assim, a traduo literal da palavra tribologia seria o

estudo ou cincia do atrito. O termo tribology foi utilizado pela primeira vez em 1966

durante um relatrio publicado pelo Departamento de Cincia e Educao da Gr-Bretanha.

Segundo este documento, que ficou conhecido como relatrio de Jost [Jost, 1966], a tribologia

a cincia e tecnologia da interao entre superfcies em movimento relativo e demais

questes relacionadas ao assunto e prticas. Essa ampla definio ilustra a natureza

interdiciplinar do assunto. Conforme mencionam alguns autores [Glaeser et al., 1981;

Moerlooze, 2010], o campo de estudo atual da tribologia est interligado a muitas reas de

conhecimento, tais como fsica, qumica, cincia dos materiais, termodinmica, mecnica,

elementos de mquinas, esttica e dinmica, metrologia, etc.

Embora a definio do termo seja relativamente recente, a humanidade j vem

empregando solues prticas relacionadas tribologia h sculos. A inveno da roda, por

exemplo, mostra claramente o interesse do homem em reduzir o atrito durante movimento

[Halling, 1975]. Segundo Dowson, 1979, talvez a mais antiga evidncia de tribologia date do

perodo paleoltico, com a descoberta do fogo pelo homem a partir do calor gerado pelo atrito

entre pedaos de madeira ou a partir do faiscamento resultante do choque entre pedras. O

autor menciona ainda que o povo do Egito antigo empregava lubrificante a base de gordura

animal nos mancais das rodas de suas carruagens.

3.2 Importncia da Tribologia

A tribologia est presente em vrios aspectos de nosso cotidiano, que vo desde a

simples prtica de esportes (escalada ou ski, por exemplo) at o ato de escovar os dentes, onde

que ocorre um processo de desgaste controlado no qual se deseja limpar a sujeira e manter o

esmalte dos dentes ao mesmo tempo [Halling, 1975].

Segundo Dowson, 1979, anlises de quebras em mquinas mostram que muitas falhas

em equipamentos domsticos, motores veiculares e mquinas em geral esto relacionadas

5

com interao de peas e ou superfcies (engrenagens, embreagens, freios, cames, rolamentos,

mancais), ou seja, esto associados tribologia.

A importncia econmica da tribologia est no fato de que 30% da energia gerada no

mundo industrial dissipada em processos envolvendo frico [Dowson, 1979]. Na indstria

automobilstica, um dos maiores desafios , sem dvida, a melhora no consumo de

combustvel, o que pode ser atingido reduzindo a energia dissipada atravs da frico. De

acordo com Halling, 1975, um veculo possui mais de 2000 pontos de contato tribolgico, o

que sugere elevado grau de dissipao trmica. Um estudo conduzido por Anderson, 1991,

menciona que do total de energia liberada pela queima de combustvel em um veculo, cerca

de 15% perdido pelo atrito de seus elementos mecnicos (pistes, anis, rolamentos,

transmisses, vlvulas e acessrios). Um estudo atual [Holmberg et al., 2012], onde so

tambm contabilizadas as perdas por atrito dos pneus com o solo bem como do sistema de

freios, menciona que o percentual de energia dissipada pelo atrito pode chegar a at um tero

da energia liberada pela queima de combustvel. Hinrichs e Kleinbach, 2000, apresentam a

distribuio das perdas de energia de um veculo, as quais so mostradas na Figura 3.1.

Figura 3.1 Distribuio das perdas de energia de um automvel [Adaptado: Hinrichs e

Kleinbach, 2002].

Segundo Moerlooze, 2010, recentes avanos no campo da lubrificao bem como nas

tecnologias envolvendo as superfcies tem contribudo para diminuir as perdas energticas

pelo processo de frico. Os ganhos disso no se restringem apenas esfera econmica, mas

tambm ao aspecto ecolgico, completa o autor.

6

3.3 Conceito e Mecanismos de Atrito

De acordo com Rabinowicz, 1995, atrito a resistncia ao movimento que existe

quando um objeto slido movido tangencialmente com relao a uma superfcie de contato,

ou quando uma tentativa de produzir tal movimento relativo feita. Ainda, de acordo com o

autor, o atrito expresso em termos quantitativos como uma fora (fora de atrito), a qual

proporcional carga normal existente entre os corpos. Segundo Halliday et al., 1996, a partir

da relao entre a fora de atrito e a fora normal, surge uma grandeza adimensional

conhecida como coeficiente de atrito. Ainda de acordo com os autores, o coeficiente de atrito

se divide em esttico e dinmico. O coeficiente de atrito esttico determinado no instante de

eminncia do movimento relativo entre as superfcies atritadas enquanto que o coeficiente de

atrito dinmico ocorre no instante em que h movimento relativo entre as superfcies.

Serbino, 2005, define o atrito sob o ponto de vista energtico. De acordo com o autor,

o atrito um processo onde a energia cintica convertida em outras formas de energia, como

trmica, acstica, tica, eltrica e mecnica. O balano de energia dissipada depender da

natureza dos corpos em contato. Ainda segundo o autor, a energia de atrito dissipada atravs

de deformaes nas camadas superficiais por mecanismos elsticos, plsticos e viscoelsticos

e/ou atravs de microfraturas de partculas da superfcie sob cisalhamento ou unies entre

interfaces adesivas bem como sob a ao de eventual terceiro corpo (filme) presente entre as

superfcies de contato.

Muitos autores vem procurando modelar o atrito e desgaste dos materiais durante

frenagens, como mostram algumas publicaes [Fillot et al., 2007; Osterle et al. 2001; Baleri

et al., 2003]. Porm, como o atrito e o desgaste so fenmenos complexos, governados

principalmente pelo chamado tribosistema (interao entre variveis operacionais e material),

ainda hoje no se tem conhecimento preciso sobre o papel de cada varivel sobre os mesmos.

Isso torna relativamente complexo o desenvolvimento de uma modelagem matemtica capaz

de englobar todos os fenmenos envolvidos no atrito e desgaste [Eriksson et al., 2002].

Acredita-se ser por esse motivo que modelos de atrito e/ou de desgaste dos materiais se

limitam a descrever um dado comportamento (stick-slip, curva de stribeck, por exemplo) de

um determinado material para condies bem especficas de aplicao. Na presente tese, no

sero descritos modelos matemticos para o atrito ou desgaste, uma vez que o foco deste

7

trabalho desenvolver uma ferramenta (tribmetro) capaz de ser empregada em futuros

estudos para o entendimento dos mecanismos e fundamentos da tribologia associada a freios.

Pouco avano no campo da tribologia ocorreu at a existncia de Leonardo da Vinci

(1452-1519), que foi quem primeiro postulou uma aproximao cientfica para o atrito. Ele

reconheceu que a fora de frico proporcional carga normal aplicada. A Revoluo

Industrial (por volta do ano de 1700) impulsionou avanos importantes na tribologia por causa

do crescente desenvolvimento de novas mquinas e equipamentos industriais [Halling, 1975].

Alm disso, durante este perodo houve aumento do interesse pelo processo de frico sob

condies no lubrificadas. Isso ocorreu devido a questes relacionadas aos sistemas de freios

e trao entre o trilho e a roda das locomotivas recm criadas. Foi nessa poca que surgiram

os rolamentos de esferas, que so componentes largamente difundidos atualmente [Dowson,

1979].

Na segunda metade do sculo XVIII, Charles Augustin Coulomb estabelece uma clara

distino entre o coeficiente de atrito esttico e dinmico ou cintico. Neste estudo, Coulomb

tambm postulou que o coeficiente de atrito independe da velocidade [Mki, 2005]. Em um

segundo momento, porm, Coulomb percebeu que a fora de atrito no apenas uma

componente constante em mdulo quando se inicia o movimento, mas uma componente que

varia com a velocidade [Armstrong, 1988].

Apesar de Coulomb j ter observado uma relao entre o coeficiente de atrito esttico

e o tempo de aderncia entre as superfcies antes de iniciar o deslizamento entre as

superfcies, a base terica que fundamenta tal fenmeno encontrada em recentes publicaes

[Dieterich e Kilgore, 1994; Moerlooze, 2010]. De acordo com os referidos estudos, para a

situao estacionria, com o tempo, h um maior fortalecimento entre as junes que, junto da

relaxao plstica da carga em contato, resulta no aumento da rea real de contato entre as

superfcies, o que leva ao aumento do coeficiente de atrito esttico.

Segundo Al-Bender e Swevers, 2008, o regime de deslizamento caracterizado por

um contnuo processo de formao e quebra dos pontos de contato tal que a fora de atrito

torna-se predominantemente uma funo da velocidade de escorregamento relativa entre os

corpos. Conforme a literatura [Al-Bender e Swevers, 2008; Serbino, 2005], os mecanismos

fsicos que explicam a fora de frico quando duas superfcies deslizam uma sobre a outra

com movimento relativo so:

8

a) Adeso: refere-se fora tangencial ou fora de cisalhamento que surge quando as

superfcies esto relativamente prximas uma da outra. Assim, foras de ligao metlicas e

covalentes so consideradas bem como foras de Van der Waals.

b) Deformao: surgem foras decorrentes das deformaes geomtricas que ocorrem

entre as asperezas das superfcies quando as mesmas passam umas sobre as outras.

Os autores mencionam ser muito difcil de mensurar a esfera de abrangncia de cada

um destes fenmenos no resultado global da fora de atrito. A interao dinmica entre esses

mecanismos explica o complexo comportamento do coeficiente de atrito.

3.4 Materiais de Frico

De acordo com Rhee et al., 1991, os engenheiros utilizam uma variedade de materiais

para maximizar o desempenho dos freios em todas as condies de aplicao, comumente

combinando de 5 a 20 diferentes ingredientes para formar um material de frico.

Ostermeyer e Mller, 2008, expem as dificuldades em determinar uma composio

adequada para atender aos principais requisitos de pastilhas e lonas de freio, a saber:

estabilidade do coeficiente de atrito (pouca perda de atrito com a temperatura), no variao

de comportamento em condies constantes, taxas mnimas de desgaste do material de atrito

(pastilhas e lonas) e das pistas de frenagem (disco e tambor), mnima quantidade de liberao

de resduos, estabilidade contra gerao de rudo e vibraes. Blau, 2001, acrescenta a essa

lista de requisitos a necessidade de alta resistncia corroso e baixo peso dos materiais de

frico. Hee e Filip, 2005, completam o raciocnio apontando que materiais de frico

precisam tambm ser compatveis com o material do rotor a fim de reduzir desgaste, rudo e

vibrao durante a frenagem.

Diante disso, no difcil perceber a complexidade envolvida na busca de uma

composio de material de frico que atenda aos inmeros requisitos dos fabricantes. Alm

disso, conforme observa Blau, 2001, o desempenho de um freio no somente afetado pelos

materiais e sistema, mas tambm pela forma de conduo do motorista, estado de regulagem

do sistema de freios, condio do veculo e ambiente sobre o qual o mesmo conduzido.

Quanto classificao, materiais de frico para utilizao em freios geralmente

seguem duas categorias, orgnicos ou semi-metlicos [Eriksson e Jacobson, 2000; Engberg,

1995]. Na pastilha semi-metlica h carga maior de compostos metlicos (fibras de ao) em

sua formulao, podendo chegar a ndices de at 50% [Eriksson e Jacobson, 2000]. Pastilhas

9

produzidas a partir de materiais semi-metlicos so visivelmente diferentes das orgnicas,

pois so mais speras, possuem uma colorao mais escura, sendo ainda possvel obervar

fibras metlicas na sua superfcie. Por possurem boas propriedades de dissipao do calor, as

pastilhas semi-metlicas so largamente empregadas em aplicaes maios severas, como em

veculos grandes e esportivos [Engberg, 1995].

Por outro lado, as pastilhas orgnicas possuem uma textura mais lisa e uma tonalidade

mais clara. So largamente aplicadas em veculos leves [Engberg, 1995]. Pastilhas orgnicas

so mais macias do que as semi-metlicas, proporcionando um maior contato com o disco,

diminuindo o coeficiente de atrito e aumentando a vida til dos discos. So utilizadas em

mercados que priorizam o conforto da operao de frenagem, como por exemplo, o mercado

americano [Birch, 1999].

Quanto aos discos e tambores de freios, de acordo com Blau, 2001, estes componentes

so tipicamente produzidos a partir de ferro fundido cinzento com grafite tipo A (flocos com

distribuio uniforme e de orientao aleatria) sob uma matriz perltica com baixo contedo

de ferrita e carbono.

Com relao durabilidade, pastilhas de freios precisam ser substitudas entre 16 000

at 80 000 km, dependendo do tipo de material, terreno e forma de conduo do veculo. As

pastilhas podem ser adquiridas como pea original do fabricante automotivo ou ainda no

mercado de reposio. Geralmente, ambos os tipos de produtos so produzidos pelo mesmo

fabricante, sendo que as peas do mercado de reposio so etiquetadas com a marca do

fabricante do material de frico enquanto que as originais levam a marca da indstria

automotiva. Porm, o fabricante automotivo costuma especificar a formulao de suas

pastilhas originais, enquanto que as peas que vo para o mercado de reposio, via de regra,

possuem maior liberdade quanto a sua composio qumica [Engberg, 1995].

3.5 Fatores que Influenciam no Desempenho dos Materiais de Frico

Conforme previamente discutido na dissertao de mestrado do autor da presente tese

[Neis, 2008], as variveis que influenciam no desempenho (atrito e desgaste) dos materiais de

frico utilizados em freios so a composio qumica e microestrutura tanto do disco quanto

da pastilha, a velocidade de deslizamento, a presso de contato, o filme de frico, o histrico

trmico e de carga do material e a temperatura do disco. No levantamento (reviso da

literatura) feito na presente tese, foram ainda acrescentadas duas novas variveis. So elas: a

10

rugosidade do disco e as condies ambientais de realizao dos testes. A seguir, todos esses

fatores so individualmente abordados. Convm observar que, experimentalmente, apenas o

parmetro da temperatura do disco avaliado por meio de ensaios no decorrer deste trabalho.

3.5.1 A Composio Qumica e a Microestrutura dos Materiais de Frico

O papel de cada ingrediente que compe uma pastilha e/ou um disco tema de grande

interesse por parte dos fabricantes de materiais de frico, uma vez que o aumento da potncia

dos motores dos veculos tem exigido maior desempenho e eficincia por parte dos sistemas

de freio.

No estudo conduzido por Bhabani e Bijwe, 2006, foi verificado, atravs de ensaios

realizados em um equipamento para teste de freios em escala, que a variao exclusiva da

natureza (tipo) da fibra orgnica que compe um material de frico exerce considervel

influncia sobre a magnitude do coeficiente de atrito bem como sobre a resistncia oferecida

ao desgaste. Kim e Jang, 2000, por sua vez, em seus experimentos executados em uma

bancada, fixaram o tipo de fibra (aramida) e variaram apenas o seu percentual. Os autores

concluram que houve uma melhora significativa na estabilidade do coeficiente de atrito

medida que se aumentou a quantidade da fibra contida na amostra.

Coyle et. al., 1983, realizaram um estudo com discos de freio de diferentes propores

de C, Si, Mn, P e Ti e com variaes dos parmetros do processo: taxas de resfriamento e

solidificao. Os autores concluram que possvel alterar o desempenho do sistema de freio

atravs de alteraes qumicas e microestruturais do rotor.

No restam dvidas de que, ambos os fatores, a composio qumica e a

microestrutura dos materiais atritados (pastilha e disco), exercem influncia direta sobre o

atrito e o desgaste, conforme discutido nesta subseo. Porm, de acordo com Kim e Jang,

2000, um nmero limitado de estudos sobre o papel exato de cada componente qumico sobre

o desempenho de um processo de frenagem pode ser encontrado. Por isso, pode-se afirmar

que ainda existe muito a ser pesquisado sobre o assunto, principalmente se for levado em

conta a diversidade de componentes qumicos que podem ser utilizados no processo de

fabricao de pastilhas e lonas de freios - aproximadamente 150, segundo Kim e Jang, 2000.

11

3.5.2 Rugosidade do Disco

Um estudo conduzido por Bergman et al., 1999, comparou o atrito gerado por um

disco de freio com acabamento superficial original com os resultados obtidos a partir de um

disco rugoso, previamente submetido a processo de jato de areia. Esse ltimo disco, ao ser

atritado com uma pastilha de freio do tipo orgnica em uma bancada montada com o conjunto

do sistema de freio e suspenso dianteira de um veculo comercial, gerou um coeficiente de

atrito mdio de 0,3. J, o disco na condio de acabamento superficial original, gerou um

coeficiente de atrito mdio de 0,6 em um ensaio semelhante executado sobre a mesma

bancada. Os autores do estudo explicam que a presena de micro buracos sobre a superfcie

do disco que passou pelo processo de jato de areia diminui a rea de contato, o que causa a

reduo no coeficiente de atrito. Stoeterau, 2004, tambm afirma que superfcies muito lisas

tendem a apresentar coeficientes de atrito elevados por causa do aumento da rea de contato.

Em outra publicao [Eriksson et al., 2002], os autores submetem apenas um setor do

disco ao processo de jato de areia. Durante ensaios executados sob uma rotao constante de

0,22 rpm em uma bancada para teste de freios, observado que o coeficiente de atrito cai a

cada passagem da pastilha sobre o referido setor, sendo restabelecido ao patamar inicial

imediatamente aps terminada a passagem pela seo jateada do disco (Figura 3.2).

Co

efic

iente

de

atri

to[-

]

Tempo [s] Figura 3.2 - Coeficiente de atrito obtido entre uma pastilha e um disco com setores de

acabamento grosseiro devido ao processo de jato de areia [Adaptado: Eriksson et al., 2002].

3.5.3 Velocidade de Deslizamento

Conforme Rabinowicz, 1995, no processo de frico de metal contra metal, o

coeficiente de atrito modifica-se apenas alguns pontos percentuais quando a velocidade

12

aumentada de um fator de 10. Assim, para uma faixa de velocidade que abrange um fator de

1010

(razo entre a maior e menor velocidades), o coeficiente de atrito varia no mais do que

um fator de 2.

Em testes de frenagem reproduzidos em um tribmetro em escala reduzida,

Desplanques et al., 2007, verificaram a influncia da velocidade de deslizamento de uma

pastilha de freio sobre um disco. Seus estudos mostram que em velocidades mais baixas h

um rpido aumento da magnitude do coeficiente de atrito (Figura 3.3). Os materiais do disco e

pastilha empregados neste experimento so provenientes de um sistema de freio de trem

utilizado na europa. Convm destacar que os picos localizados que aparecem no sinal medido

de atrito podem ser atribudos, dentre outros fatores, ao efeito de ressonncia do sistema sobre

as medidas feitas pelo transdutor de fora, conforme menciona um relatrio tcnico emitido

por um fabricante de mquinas de ensaio [Plint, 2012b]. Ainda de acordo com o referido

relatrio, comum a aplicao de filtros com o objetivo de atenuar as flutuaes do sinal

medido. Godfrey, 1995, realizou um estudo especfico para verificao e entendimento destes

picos, tratados pelo autor como instabilidade e oscilaes do coeficiente de atrito. O autor

conclui que esses efeitos so funo da rugosidade do disco e tambm da prpria natureza do

material de frico. Ainda segundo o estudo, materiais que liberam grande quantidade de

resduos e fragmentos tambm so aqueles que possuem maiores amplitudes de oscilao no

sinal de atrito medido. Por ltimo, o referido estudo conclui que o atrito deve ser expresso no

como um simples ponto, mas como uma faixa de valores para uma dada condio.

Figura 3.3 - Variao do atrito com a velocidade [Adaptado: Deslanques et al., 2007].

Resultado aproximado ao de Desplanques et al., 2007, tambm observado por Blau e

McLaughlin, 2003. Esses autores realizaram testes atritando uma amostra de 12,7 x 12,7 mm

(pertencente a um caminho comercial dos Estados Unidos) sobre um disco em uma mquina

13

de ensaio em escala reduzida. Perceberam haver uma tendncia de queda do coeficiente de

atrito com o aumento da velocidade de deslizamento sob a condio de velocidade constante

(durao de cada ensaio igual 30s).

Wilson e Bowsher, 1971, verificaram que, sob as mesmas condies de temperatura e

presso, uma variao de 23% na velocidade, correspondente diferena entre o raio de

deslizamento mnimo e mximo do corpo de prova avaliado pelos autores (materiais de atrito

de composio A, B e C) em um equipamento em escala reduzida, no produz variao

significativa do coeficiente de atrito (Figura 3.4).

Figura 3.4 - Efeito da velocidade sobre o atrito [Adaptado: Wilson e Bowsher, 1971].

3.5.4 Condio Ambiental

Grochowicz et al., 2011, investigaram a influncia das condies ambientais sobre a

variabilidade dos resultados de coeficiente de atrito medido em frenagens executadas em

dinammetro. Foram experimentadas duas situaes extremas: 52C com 505% de

umidade relativa e 302C com 805% de umidade relativa. Os testes foram executados

segundo o procedimento de ensaio ISO 26867, 2009. Visando a um resultado preciso, as

amostras (disco e pastilha) empregadas neste estudo foram provenientes do mesmo lote de

produo. Os autores concluem que as condies ambientais causam influncia significativa

sobre os resultados de atrito quando pelo menos uma das duas situaes descritas a seguir

satisfeita:

14

i) quando, durante as frenagens, a temperatura inicial do disco menor do que 100C, como

no caso da etapa chamada de Cold do procedimento ISO 26867, 2009, em que uma das

frenagens executada a 40C;

ii) quando, durante as frenagens, apesar da temperatura inicial do disco ser maior de 100C, a

combinao dos parmetros de presso e velocidade relativamente branda. Exemplo disso

a etapa Low V/P indicada pela norma ISO 26867, 2009, onde que a velocidade inicial e a

presso hidrulica empregadas sobre o sistema no ultrapassam, respectivamente, 20 km/h e 2

MPa, em 4 das 6 frenagens desta etapa. Convm observar que em uma condio de frenagem

tpica, a presso hidrulica e a velocidade empregadas so de, respectivamente, 3 MPa e 80

km/h, como ocorre na etapa de caracterizao, presente nos procedimentos de ensaio AK-

Master, 1998, e ISO 26867, 2009.

Com base no estudo acima mencionado, pode-se concluir que um controle rigoroso

sobre as condies ambientais de realizao dos testes deixa de ser um requisito importante

para assegurar a repetitividade dos resultados de atrito caso os parmetros operacionais

empregados possuam magnitudes superiores aos valores indicados pelas etapas LOW V/P e

Cold do procedimento de ensaio ISO 26867, 2009. Na prtica, isso significa que, a fim de

minimizar a influncia das condies ambientais sobre os resultados dos ensaios, a

velocidade, a presso hidrulica e a temperatura devem possuir magnitudes

consideravelmente superiores a, respectivamente, 20 km/h, 2 MPa e 100C (valores expressos

com relao a ensaios em dinammetros).

3.5.5 Presso de Contato

consenso entre os autores que a carga normal parece agir no sentido da diminuio

do coeficiente de atrito [Ostermeyer, 2003; Desplanques et al., 2007], embora no seja claro

ainda como isso ocorre. A Figura 3.5 mostra o efeito da presso de contato sobre o coeficiente

de atrito para uma pastilha utilizada em sistemas de freio de trem, a qual foi avaliada num

tribmetro de frenagem em escala reduzida [Desplanques et al., 2007]. Da mesma forma que

ocorreu com os resultados mostrados na Figura 3.3, o grfico da Figura 3.5 tambm apresenta

picos localizados no sinal medido. Conforme explicado na subseo 3.5.3, esses efeitos

podem ser atribudos principalmente pela rugosidade do disco, pela ressonncia do sistema de

medio da carga e tambm da prpria natureza do material de frico.

15

Figura 3.5 - Evoluo do atrito com a presso de contato [Adaptado: Desplanques et al.,

2007].

3.5.6 Filme de Frico

Segundo Fillot et al., 2007, o conceito de filme de frico ou terceiro corpo foi

introduzido por Godet em 1970 para identificar a interface entre dois slidos postos em

contato. Esse meio pode ser injetado artificialmente, como no caso dos leos e outros tipos de

lubrificantes ou, na condio de superfcies secas, pode ser o resultado do arrancamento de

material das superfcies atritadas.

O filme o produto de uma complexa interao mecnica e qumica, que pode variar

no tempo, com o tipo de material e ainda de acordo com as condies de velocidade,

temperatura e presso impostas [Hee e Filip, 2005]. Alm disso, a rugosidade dos materiais

atritados [Langlade et al., 1994] bem como o histrico trmico e de carga [Bode e

Ostermeyer, 2009] tambm desempenham um papel importante sobre as caractersticas do

terceiro corpo. Da a grande dificuldade em predizer o desempenho e o comportamento do

atrito de um material de frico [Hee e Filip, 2005].

Quanto composio qumica do filme de frico, ela diferente da composio

original do disco e da pastilha, conforme aponta um estudo conduzido por Biswas, 2000. Essa

observao tambm foi verificada por Osterle et al., 2007, atravs da tcnica de microscopia

eletrnica sobre disco e pastilha durante ensaios de frenagens executados em dinammetro

inercial.

Algumas publicaes [Ostermeyer e Mller, 2008; Langlade et al., 1994] indicam que

a estabilizao da magnitude do coeficiente de atrito durante um processo de deslizamento

entre duas superfcies est diretamente ligada dinmica do filme de frico. Essa uma

16

observao importante na medida em que, conforme apontam alguns autores [Ostermeyer e

Mller, 2008; Blau, 2001], a estabilidade do atrito um efeito desejvel para os materiais de

frico utilizados em freios.

3.5.7 A Influncia do Histrico Trmico e de Carga

Bode e Ostermeyer, 2009, avaliaram o efeito do histrico trmico e de carga sobre o

comportamento do atrito. Para isso, 3 etapas (Figura 3.6) do procedimento de ensaio AK-

Master, 1998, executadas em um dinammetro inercial sob iguais condies de velocidade e

presso, porm com diferentes histricos trmicos e de carga, so avaliadas. A presso

hidrulica empregada de 3 MPa e a faixa de velocidade de frenagem vai de 80 a 30 km/h.

Os autores concluem que os resultados de coeficiente de atrito diferem significativamente

entre as 3 etapas devido a mudanas do filme de frico, o qual se modifica dinamicamente a

medida que o histrico trmico e de carga das frenagens a que o material foi sujeito tambm

vai se alterando.

Figura 3.6 - Anlise de 3 etapas de ensaios executadas sob iguais condies de operao,

porm com diferentes histricos de frenagens [Adaptado: Bode e Ostermeyer, 2009].

Neuman et.al., 1983, destacam que um bom exemplo de efeito do histrico trmico e

de carga a recuperao do atrito que ocorre logo aps a execuo do ensaio onde os

materiais so submetidos a elevadas temperaturas (etapa de fade). Segundo o autor, as razes

para essas mudanas so diversas e incluem a cura adicional do material (a maioria dos

17

materiais no saem 100% curados do fabricante), alteraes qumicas (reversveis e

irreversveis) e vaporizao de componentes volteis.

Ostermeyer, 2003, afirma que o histrico de utilizao da pastilha determina o estado

atual da rea de contato a nvel microscpico e, por consequncia, o valor atual do coeficiente

de atrito.

3.5.8 Influncia da Temperatura do Disco

Segundo Limpert, 1999, um problema comum que ocorre com os sistemas de freio

quando atingem temperaturas elevadas (acima de 300C) o efeito de fade, isto , a reduo

do coeficiente de atrito com o aumento da temperatura durante a frenagem. O fade mais

crtico em sistemas de freio a tambor do que a disco, uma vez que nesses sistemas ocorre a

combinao da perda das propriedades de frico do material de atrito (lona) com o efeito da

dilatao do tambor em elevadas temperaturas (fade mecnico). O autor salienta que, durante

o efeito de fade em sistemas a tambor, necessrio um aumento de 30 a 40% no curso do

pedal de freio para a aplicao de um torque frenante equivalente s condies normais de

operao.

Conforme Rhee e Schwartz, 1979, a taxa de desgaste dos materiais de frico se

mantm razoavelmente constante em relao temperatura do rotor at aproximadamente

220C. A partir da, a taxa aumenta exponencialmente. O desgaste a baixas temperaturas

(menores de 220C), conforme Rhee e Schwartz, 1979, atribudo essencialmente aos

mecanismos de desgaste abrasivo e adesivo, enquanto que em altas temperaturas se deve

decomposio dos ingredientes polimricos presentes nos materiais de frico. Concluso

semelhante tambm estabelecida por Bulth et al., 2008, cujo estudo aborda tambm a

relao entre a temperatura e o coeficiente de atrito. Atravs da anlise de emisso dos gases

(H2O e CO2) resultantes do processo de frico, os autores do referido estudo verificaram que,

especialmente a partir dos 300C, ocorrem transformaes qumicas importantes, como a

degradao da resina fenlica do material compsito. observada perda significativa de atrito

nesta situao, efeito que tende a ser reduzido ou at desaparecer aps o material de frico

ser submetido repetidas vezes a temperaturas elevadas (entenda-se maiores do que 300C).

Segundo Blau e McLaughlin, 2003, em altas temperaturas, a taxa de formao de

xidos metlicos maior nas pastilhas. Certos xidos metlicos tm caractersticas

18

lubrificantes e podem contribuir para a reduo do coeficiente de atrito entre a pastilha e

disco.

Como se pode observar pelo exposto acima, a alta temperatura pode afetar

significativamente o desempenho de um sistema de freios, tanto em um sistema de freios a

disco quanto a tambor. Assim, h um compromisso dos fabricantes no sentido de desenvolver

materiais resistentes a elevadas temperaturas, bem como, de projetar sistemas de freio mais

eficientes do ponto de vista da dissipao do calor.

3.6 O Estado da Arte - As Mquinas de Ensaios

A metodologia de avaliao de frenagens atravs de bancadas em laboratrio apresenta

uma srie de vantagens sobre ensaios de campo realizados com veculos. A literatura [Rusnak

et al., 1970; Timte, 2000] cita como vantagens dos ensaios realizados em laboratrio a maior

facilidade de instrumentao, o controle mais preciso das condies dos ensaios, o menor

tempo envolvido com a execuo dos testes e a reduo dos custos operacionais.

Neste contexto, Timte, 2000, exemplifica uma situao muito comum que acontece

durante a fase de finalizao de um projeto de um sistema de freios para um veculo em

desenvolvimento. De acordo com o autor, frequentemente ocorrem alteraes em alguns

componentes da suspenso ou mesmo da distribuio de massa sobre o automvel, as quais

requerem modificaes do projeto do sistema de freios. Dessa forma, pondera o autor, mais

fcil e econmico rodar novamente um ensaio em um dinammetro para freios, que

tipicamente leva 1 ou 2 dias, do que executar outra vez um ensaio em veculo, cujo processo

pode durar de 10 a 20 dias.

Existem diversos tipos de mquinas com a finalidade de ensaiar materiais de frico

utilizados em freios veiculares. Conforme apontam algumas publicaes [Rusnak et al., 1970;

Zimmer e Teves, 1982], devido s caractersticas construtivas e tecnologias empregadas, cada

mquina indicada para um tipo especfico de avaliao, como o controle de qualidade ou

para pesquisa e desenvolvimento, por exemplo. O procedimento de ensaio de cada

equipamento de teste descrito por procedimentos ou normas especficas.

A seguir, so apresentadas as principais mquinas de ensaios encontradas na

literatura, com especial ateno a aspectos que dizem respeito aos dispositivos e tecnologias

envolvidas no controle da temperatura (quando houver) bem como nas limitaes de cada

equipamento.

19

3.6.1 Dinammetro Inercial

O equipamento mais utilizado para avaliar materiais de frico de freios durante o

desenvolvimento de novos sistemas de freios o dinammetro inercial [Zimmer e Teves,

1982; Agudelo e Ferro, 2005; Timte, 2000]. Construtivamente, essa mquina consiste

basicamente de discos de inrcia conectados a um eixo girante, sobre o qual de um lado

montado o rotor do freio (disco ou tambor) enquanto na outra extremidade do eixo est ligado

o motor eltrico (Figura 3.7). Os ensaios em dinammetro inercial so realizados com o

prprio sistema de freio original do veculo (cliper ou tambor) montado sobre o

equipamento.

Figura 3.7 - Esquema de um dinammetro inercial [Haynes, 1999].

Tipicamente, um dinammetro inercial pode funcionar em modo inercial ou em modo

de velocidade (tambm chamado de arrasto) constante. No modo inercial, o motor provoca

uma velocidade rotacional no rotor at o momento em que a frenagem comea, quando o

motor se desacopla do eixo, deixando que o sistema de freio absorva a energia cintica. A

inrcia rotacional do eixo pode ser variada atravs da configurao de diferentes discos de

inrcia, de modo a igualar a massa inercial de um veculo especfico. Por isso, esse modo o

que melhor representa as condies que ocorrem nos veculos durante as frenagens. No modo

de arrasto constante, o motor fica ligado e opera sob velocidade constante enquanto o freio

atuado.

Os principais parmetros medidos durante as frenagens em dinammetro so: a

presso de acionamento, o torque frenante e a rotao do disco. A medida de atrito

determinada indiretamente, a partir dos dados de torque frenante, presso de acionamento,

20

eficincia mecnica do sistema e de dados geomtricos do cliper, conforme mostra a

Equao 3.1 [Dohle et al., 2006].

2 0 epistoacion R)AP (P

T

(3.1)

onde o coeficiente de atrito [adm], T o torque frenante [Nm], a eficincia mecnica

do sistema de freio (valor tabelado), Pacion a presso de acionamento [Pa], P0 a presso

necessria para superar a fora da mola de retorno e o atrito do pisto com o cliper [Pa],

Apisto a rea do pisto [m] e Re o raio de deslizamento, muitas vezes chamado de raio

efetivo [m].

Em consulta a dados informados no portal de internet de um fabricante [Link

Engineering Company, 2011b], verificou-se que modelos mais sofisticados de dinammetros

inerciais possuem ainda controle da umidade relativa do ar que soprado sobre os freios e/ou

possuem cmara de resfriamento, capaz de reduzir a temperatura do ar soprado a at 20C

negativos.

Outro recurso tambm observado em alguns modelos de dinammetros, conforme

observado em um exemplar existente no laboratrio de ensaios de um fabricante de materiais

de frico do Brasil, a determinao do valor da inrcia efetiva (real) via programa

computacional. Atravs da comparao do valor da inrcia determinada virtualmente com a

inrcia efetivamente montada sobre o eixo do equipamento, pode-se conhecer o nvel das

perdas apresentadas pela mquina devido ao atrito dos mancais, rolamentos, entre outros.

Diversos estudos [Neumann et al., 1983, Rhee e Schwartz, 1979; Preston e Forthofer,

1971] apontam que o dinammetro inercial o equipamento que melhor simula as condies

reais dos sistemas de freios veiculares quanto s suas caractersticas de desempenho e

durabilidade. Por outro lado, Neuman et al., 1983, afirmam que esse equipamento no capaz

de avaliar as caractersticas do material de atrito isoladamente, mas apenas o desempenho de

todo o conjunto ou sistema de freio. Conforme Sanders et al., 2001, testes em dinammetro

so descritos como hardware-dependentes, uma vez que efeitos como a deflexo do cliper

e de elementos de fixao do freio exercem influncia significativa sobre os resultados dos

ensaios. Dessa maneira, um resultado de ensaio em dinammetro vlido exclusivamente

para um dado conjunto (pastilha e cliper) de freio, particularidade tambm constatada por

Kruze, 2009. O elevado custo para aquisio de um dinammetro inercial apontado por

21

Preston e Forthfer, 1971, como sua principal desvantagem. Outra limitao do dinammetro

inercial diz respeito possibilidade da ocorrncia de torque residual de arrasto da amostra

sobre o disco no perodo de resfriamento (entre as frenagens). A falta de controle sobre essa

condio leva a variabilidades considerveis nos resultados de atrito e desgaste obtidos por

essa mquina, conforme apontam Grochowicz et al., 2011.

No que se refere s normas para teste de freios em dinammetros inerciais, segundo

dados de um fabricante [Link Engineering Company, 2011a], esse equipamento indicado

para cumprir procedimentos de ensaio aceitos mundialmente, os quais so protocolos

utilizados pela GM, Ford Motor Co, DCX, TRW, Bosch, FMO, Toyota e Honda.

Embora alguns autores apontem que atravs de dinammetros possvel avaliar,

dentre outros fenmenos, o efeito da temperatura sobre os resultados de atrito dos ensaios

[Zimmer e Teves, 1982; Timte, 2000], essas mquinas no contemplam sistema ou tecnologia

dedicada ao controle do aquecimento do disco durante o processo de frenagem. Em

dinammetros, o efeito da temperatura geralmente avaliado atravs de sucessivas aplicaes

dos freios, executadas uma a uma, aumentando a temperatura numa espcie de efeito

acumulativo. Contudo, a varivel temperatura do disco ou da pastilha apenas medida e

no controlada.

3.6.2 Mquina Chase

O funcionamento da mquina Chase est baseado em pressionar um corpo de prova

com dimenses 25,4 mm x 25,4 mm (ou 1 pol) contra um tambor de freio, cujo raio de

escorregamento de aproximadamente 279 mm.

O teste da mquina Chase descrito no procedimento SAE J661 - Brake Lining

Quality Test Procedure. Segundo Blau, 2001, essa norma utilizada nos Estados Unidos para

produzir o valor de coeficiente de atrito que estampado, na forma de cdigo, nas pastilhas e

lonas de reposio comercializadas naquele pas. O autor pondera, porm, que essa prtica

tem cado em desuso nos ltimos anos sob o argumento de que o comportamento do atrito no

dependente somente da composio do material de frico como tambm do sistema

mecnico utilizado e do histrico trmico e de carga a que o material foi submetido. Tsang et

al., 1985, afirmam que os resultados da Chase devem ser interpretados com cautela, uma vez

que podem no retratar precisamente as condies reais que ocorrem nos veculos durante as

frenagens.

22

Na Chase, a temperatura do tambor de freio controlada por meio de um sistema

composto por resistncias eltricas e soprador de ar, os quais aquecem e resfriam o rotor,

respectivamente. Porm, essa mquina opera apenas sob velocidade constante do disco,

situao apontada pela norma internacional para testes em dinammetro ISO 26867 como

uma aproximao de uma condio real de frenagem veicular.

Segundo pesquisa feita entre os principais fabricantes da mquina Chase [Link

Engineering Company, 2011c; Greening Incorporated, 2008], modelos atuais deste

equipamento so capazes de produzir uma carga normal de at 2670 N, uma velocidade de

rotao de at 1200 rpm bem como uma temperatura mxima de 540C no tambor. Porm,

para estes modelos especficos, o fabricante no menciona o tempo necessrio para submeter

o tambor a esse patamar de temperatura.

Detalhes construtivos e mecnicos da mquina Chase podem ser verificados no

trabalho de dissertao de mestrado do autor da presente tese [Neis, 2008].

3.6.3 FAST (Friction Assessment and Screening Test)

Segundo Blau, 2001, a mquina FAST (Friction Assessment and Screening Test) foi

introduzida na metade da dcada de 60 pela Ford Motor como um equipamento voltado para o

controle de qualidade de materiais de frico. Conforme dados da norma NBR 7813, 1998,

para a FAST indicada a utilizao de um corpo de prova com dimenses de 12,7 mm x

12,7 mm, o qual pressionado contra um disco (ao invs de um tambor, como na Chase) de

179,3 mm de dimetro e espessura de 38,10 mm. O raio de escorregamento de 76,2 mm

(3 pol). Porm, de acordo com Blau, 2001, resultados de ensaios obtidos a partir dessa

mquina podem apontar tendncia perda de atrito por temperatura (fade) em um dado

material, cujo efeito pode no ocorrer quando um ensaio equivalente executado em

dinammetro inercial. Outros autores, Hee e Filip, 2005, afirmam que no se pode

correlacionar resultados de dinammetro com os resultados da mquina FAST. Da mesma

forma como a mquina Chase, o equipamento FAST tambm opera somente sob velocidade

constante do disco.

Detalhes construtivos da mquina FAST podem ser encontrados no trabalho da

dissertao de mestrado do autor da presente tese [Neis, 2008].

23

3.6.4 Mquinas em escala

Segundo Blau, 2001, mquinas em escala tm sido projetadas principalmente para

aplicaes com fins de pesquisa relacionada a materiais de frico. Efeitos de fade,

instabilidade termo-elstica (pontos quentes), desgaste e fenmenos envolvendo a formao

de filme podem ser estudados atravs de mquinas em escala. Boas correlaes podem existir

entre esses equipamentos e os dinammetros inerciais. O autor ainda acrescenta que para

certos tipos de estudos, mquinas em escala podem constituir uma soluo efetiva e de baixo

custo para os fabricantes. Assim, por exemplo, quando a quantidade de materiais

experimentais grande, a mquina em escala pode ser utilizada para fornecer informaes

importantes sobre possveis candidatos a bons materiais. Nessa categoria de equipamento

encontra-se, por exemplo, o FSD, um dinammetro em escala reduzida desenvolvido numa

parceria entre a UFRGS e um fabricante de materiais de frico.

3.6.5 Tribmetros

Embora a literatura especializada no faa nenhuma distino entre tribmetros

comerciais e tribmetros para teste com freios, uma avaliao mais apurada mostra que

existem diferenas fundamentais entre os dois tipos de equipamento. Os primeiros so

empregados em aplicaes genricas como, por exemplo, para a determinao do nvel de

atrito e desgaste entre diferentes metais, polmeros ou cermicos, enquanto que os ltimos so

especialmente dimensionados para avaliar materiais de frico utilizados em freios.

Tribmetros comerciais classificam-se em rotativos e alternativos, de acordo com o

tipo de movimento entre as superfcies atritadas. Esses equipamentos operam em faixas de

velocidade e carga mais baixas do que as normalmente encontradas nos sistemas de freios

reais. Alm disso, a geometria das amostras empregadas nessas mquinas geralmente

diferente daquela utilizada em freios (formato esfrico, por exemplo). Os procedimentos de

ensaio voltados para tribmetros comerciais so descritos pelas normas ASTM G99, 2010 e

ASTM G133, 2010. Estes procedimentos determinam que o ensaio seja realizado em

condio de velocidade de arrasto constante, situao diferente de uma frenagem veicular,

onde geralmente ocorre a desacelerao do rotor (disco) medida que a frenagem acontece.

Em consulta realizada a alguns fabricantes [CSM, 2011; Nanovea, 2011], verificou-se

que, tipicamente, as cargas de tribmetros comerciais no ultrapassam 100 N, sejam eles

24

rotativos ou alternativos. Alguns modelos de tribmetros mostram capacidades de carga e

velocidade relativamente superiores, abrangendo, respectivamente, 1000 N e 8 m/s [Plint,

2012a], podendo chegar a at 1200 N e 30 m/s [CETR, 2012] em alguns casos. Verses mais

sofisticadas de tribmetros rotativos possuem sistema de aquecimento do disco por meio de

resistncias eltricas, sendo capazes de empregar temperaturas superiores a 1000C, conforme

especificam catlogos tcnicos destes fabricantes [CSM, 2011; CETR, 2012].

Os primeiros tribmetros para testes com materiais de frico utilizados em freios

veiculares, doravante tratados como tribmetros de frenagem, surgiram em meados do ano

2000, conforme indica levantamento feito literatura especializada [Desplanques et al., 2001;

Bhabani e Bijwe, 2004]. Apesar disto, ainda hoje no se tem conhecimento de nenhuma

norma ou procedimento de ensaio voltado especificamente para avaliar materiais de frico

veiculares a partir de um tribmetro de frenagem. Alm disso, esse tipo de mquina no

disponvel para comercializao, podendo apenas ser encontrada em universidades ou em

centros de pesquisa privados e governamentais.

Os tribmetros de frenagem geralmente so providos de um projeto mais robusto, que

disponibiliza cargas e velocidades de rotao superiores s de um tribmetro comercial.

Porm, o princpio de funcionamento de um tribmetro de frenagem basicamente o mesmo

de um tribmetro comercial rotativo: um corpo de prova, que representa a pastilha,

pressionado contra um disco girante, formando uma superfcie de deslizamento. A

possibilidade de pesquisa de base uma das principais aplicaes dos tribmetros de

frenagem, conforme mostram algumas publicaes [Desplanques et al., 2001 e 2006; Bhabani

e Bijwe, 2004 e 2006; Cho et al., 2005; Siroux et al., 2008].

A seguir, um tribmetro de frenagem encontrado na literatura tcnica especializada

[Desplanques et al., 2001] avaliado por meio de um estudo comparativo com o equipamento

desenvolvido pelo GPFAI/UFRGS. O equipamento que consta na referida publicao um

dos projetos pioneiros na rea e talvez o mais parecido conceitualmente e em termos de

tecnologias utilizadas com o tribmetro de frenagem descrito pela presente tese.

3.6.6 Avaliao de um Tribmetro de Frenagem da Literatura

Desplanques et al., 2001, desenvolveram um tribmetro de frenagem em escala para

estudos relacionados a frenagens de trem de alta velocidade, comumente conhecido na europa

pela sigla TGV (em francs: Train Grande Vitesse).

25

Em relao ao controle dos parmetros operacionais dos testes de frenagem

(velocidade, torque de frenagem e carga normal), o tribmetro em escala apresentado pelos

autores pode operar sob 2 modos distintos:

(I) Modo ciclo de frenagem: a velocidade diminui de um valor pr-ajustado at zero,

sob condio de carga normal constante (Figura 3.8-a).

(II) Modo ciclo de arrasto constante: neste caso, a velocidade e o torque so ajustados

para serem mantidos constantes durante o ensaio (Figura 3.8-b).

Figura 3.8 - Modos de operao do tribmetro investigado: (a) modo carga constante e (b)

modo velocidade e torque constante [Adaptado: Desplanques et al., 2007].

O tribmetro do GPFAI/UFRGS capaz de reproduzir os itens nmeros I e II

descritos acima, com a diferena de que em qualquer um dos dois modos (ciclo de frenagem

ou ciclo de arrasto constante) possvel optar por carga normal ou por torque de frenagem

constante (Figura 3.9).

Figura 3.9 - Modos de operao do tribmetro do GPFAI/UFRGS: modo carga ou torque

constante durante (a) ciclos de frenagens ou (b) ciclos em velocidade de arrasto constante.

No que diz respeito s tecnologias empregadas com relao ao monitoramento da

varivel temperatura, o equipamento apresentado por Desplanques et al., 2001, possui

termopar instalado no interior do disco e tambm na pastilha. Um pirmetro ptico e uma

cmera termogrfica completam o sistema empregado para a medio da temperatura de

26

frenagem no tribmetro dos autores. Porm, esse equipamento no possui sistema para

controle da temperatura do disco durante os testes de frenagem.

Os autores validam os resultados produzidos por essa mquina atravs de um estudo

comparativo com um banco para testes de freios de trem em tamanho real (Figura 3.10).

Figura 3.10 Grficos comparativos em termos de (a) coeficiente de atrito e (b) distncia de

frenagem entre os resultados do tribmetro investigado e de uma bancada de teste em

tamanho real [Adaptado: Desplanques et al., 2001].

Verifica-se que, embora as tendncias do coeficiente do atrito em funo da

velocidade divirjam entre os equipamentos comparados (Figura 3.10-a), os resultados em

termos de distncia de frenagem (Figura 3.10-b) apresentam uma diferena menor que 9%,

condio descrita como satisfatria pelos autores da pesquisa [Desplanques et al., 2001].

Outras publicaes [Blau e McLaughlin, 2003; Lee et al., 2007; Bhabani e Bijwe,

2004 e 2006] mostram verses diferenciadas de tribmetros de frenagem. Contudo, os

equipamentos descritos nestes estudos no tm relevncia dentro do contexto do presente

trabalho, dado que no abordam nenhuma funcionalidade que justifique uma anlise apurada.

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