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CENTRO UNIVERSITRIO DO INSTITUTO MAU DE TECNOLOGIA

ESTUDO DAS PRINCIPAIS VANTAGENS DO USO DA FRENAGEM REGENERATIVA EM VECULOS HBRIDOS.

So Caetano do Sul 2014

VICENTE NUNES JUNIOR

ESTUDO DAS PRINCIPAIS VANTAGENS DO USO DA FRENAGEM REGENERATIVA EM VECULOS HBRIDOS.

Monografia apresentada ao curso de Ps-Graduao em Engenharia Automotiva, da Escola de Engenharia Mau do Centro Universitrio do Instituto Mau de

Tecnologia para obteno do ttulo de Especialista.

Orientador: Prof. Dr. Daniel Vilela.

So Caetano do Sul 2014

Nunes Junior, Vicente

Estudo das principais vantagens do uso da frenagem regenerativa em veculos hbridos. So Caetano do Sul: 2014

112 p.

Monografia Ps-Graduao em Engenharia Automotiva Centro Universitrio do Instituto Mau de Tecnologia, So Caetano do Sul SP, 2014.

Orientador: Prof. Dr. Daniel Vilela.

1. Freios 2. Frenagem regenerativa 3. Veculos hbridos. I Centro Universitrio do Instituto Mau de Tecnologia.

DEDICATRIA

Dedico este trabalho a todos que acreditam que o estudo um divisor de guas e buscam no conhecimento uma forma de transformar o mundo em que vivemos. Dedico este a minha famlia e amigos que sempre acreditaram e me deram foras para que este trabalho existisse.

AGRADECIMENTOS

Agradeo primeiramente a Deus por me proporcionar sade, disposio e fora durante mais esta etapa de estudo que se encerra com este trabalho. Agradeo os meus pais que mesmo distantes sempre se fazem presentes em minha vida com todo amor, cuidado e ateno. Agradeo a minha noiva por todo amor, pacincia, dedicao e carinho durante a execuo deste trabalho. Agradeo aos sogros e cunhada por toda preocupao, interesse e fora cedidas. Agradeo ao meu orientador pelo incentivo, tempo, ateno e conhecimento prestados durante o trabalho. Agradeo a todos os colegas da Mau por todos os momentos de descontrao, ajuda e companheirismo durante as aulas desta ps-graduao. Agradeo aos amigos simplesmente por estarem presentes em todos os momentos. Agradeo todos os colegas da Toyota pelo conhecimento prestado. A todos o meu obrigado e aproveitem o trabalho.

O principio da sabedoria temor e o respeito a Deus. Provrbios 3:7b

RESUMO

A necessidade por veculos ecolgicos tem aumentado a busca por tecnologias que permitam diminuir a quantidade do consumo de energia, combustvel e emisses de gases poluentes. Portanto em 1997 surgiram os veculos chamados de hbridos, cuja fonte de energia o motor a combusto e o motor eltrico. Nos veculos hbridos temos um reservatrio para o motor a

combusto e uma bateria para o motor eltrico. Para funcionamento do motor eltrico necessrio que a bateria esteja carregada e para isso dispem-se de alguns sistemas, sendo que um deles chamado de frenagem regenerativa, cujo o princpio converter parte da energia cintica da frenagem em eletricidade para recarregar a bateria, este ocorre com motor eltrico sendo utilizado como gerador. Portanto pretende-se ao longo deste trabalho apresentar a forma construtiva dos veculos hbridos, conceito, funcionamento, legislao dos sistemas de freios e fazer um comparativo entre um veculo com frenagem convencional por atrito e um veculo com

sistema de frenagem regenerativa com o intuito de difundir o conhecimento de algo que em breve ser a nova tendncia em nosso pas.

Palavras-chave: Freios. Frenagem regenerativa. Veculos hbridos.

ABSTRACT

The need for ecological vehicles has increased the search for technologies that allow reducing the amount of energy and fuel consumption and emissions of polluting gases. Therefore, in 1997 the vehicles called hybrid, whose energy source is the combustion engine and the electric motor, were brought out. In hybrid vehicles there is a reservoir for the combustion engine and a battery for the electric motor. To operate the electric motor it is necessary to charge the battery and to do so, there are some systems: one of which is called regenerative braking, whose principle is to convert part of the kinetic energy from braking into electricity to recharge the battery. This occurs with electric motor being used as a generator. Therefore it is intended throughout this present work to present the constructive shape of a hybrid vehicle, concept, operation, legislation of brake systems and to make a comparison between a conventional vehicle brake friction and a vehicle with regenerative braking system in order to spread knowledge of something that will soon be the new trend in our country.

Keywords: Brakes. Regenerative brake. Hybrids vehicles.

LISTA DE ILUSTRAES

Figura 1 Publicidade de veculos eltricos do incio do sculo XX......................................17

Figura 2 Prottipo Ford Comuta em 1967...........................................................................19

Figura 3 Prottipo veculo eltrico GM 512.........................................................................20

Figura 4 Veculo hbrido Prius fabricado pela Toyota em 1997...........................................21

Figura 5 Sistema de coordenadas SAE...............................................................................23

Figura 6 Determinao do CQ na posio longitudinal.......................................................25

Figura 7 Determinao do CG na posio transversal........................................................26

Figura 8 Determinao do CQ na posio vertical..............................................................27

Figura 9 Determinao do ponto de CG para o veculo carregado.....................................28

Figura 10 Passeio longitudinal do CG.................................................................................29

Figura 11 Componentes do freio a tambor..........................................................................31

Figura 12 Sapata primria e secundria do freio a tambor.................................................32

Figura 13 Modelo de freio a tambor Simplex.......................................................................33

Figura 14 Modelo de freio a tambor Duplex........................................................................34

Figura 15 Modelo de freio a tambor Duo-Duplex.................................................................34

Figura 16 Modelo de freio a tambor duo-servo....................................................................35

Figura 17 Fator freio x nvel de atrito...................................................................................35

Figura 18 Componente do freio a disco...............................................................................36

Figura 19 Exemplo de disco slido e disco ventilado..........................................................37

Figura 20 Exemplo de funcionamento da pina fixa............................................................38

Figura 21 Exemplo de funcionamento da pina flutuante....................................................39

Figura 22 Exemplo de funcionamento do pina deslizante.................................................40

Figura 23 Exemplo de pastilha de freio...............................................................................41

Figura 24 Exemplo em corte de vlvula de corte fixo..........................................................42

Figura 25 Exemplo de vlvula de corte em posio aberta.................................................43

Figura 26 Exemplo de vlvula de corte em posio fechada..............................................43

Figura 27 Distribuio de frenagem com vlvula de corte...................................................44

Figura 28 Esquema de vlvula sensvel a carga.................................................................45

Figura 29 Distribuio de frenagem com vlvula sensvel a carga.....................................46

Figura 30 Distribuio de frenagem da vlvula de corte sensvel a presso.....................47

Figura 31 Distribuio de frenagem da vlvula de corte sensvel a desacelerao..........48

Figura 32 Instalao do servo-freio.....................................................................................49

Figura 33 Modelo de servo-freio a vcuo de dupla cmara................................................50

Figura 34 Servo-freio acionado...........................................................................................51

Figura 35 Servo-freio desacionado......................................................................................52

Figura 36 Cilindro mestre duplo com vlvula central...........................................................53

Figura 37 Componentes de um sistema de freio convencional...........................................55

Figura 38 Configuraes hidrulicas tpicas do sistema de freio....................................... 57

Figura 39 Correo entre velocidade do veculo e distncia de frenagem........................ 63

Figura 40 Critrios para correo da direo do veculo durante frenagem...................... 64

Figura 41 Critrio para aprovao da estabilidade do veculo durante frenagem.............. 65

Figura 42 Teste de freio de estacionamento esttico...........................................................69

Figura 43 Arquitetura hbrido em srie.................................................................................72

Figura 44 Arquitetura hbrido em paralelo............................................................................73

Figura 45 Arquitetura hbrido em srie paralelo................................................................. 73

Figura 46 Arquitetura hbrido complexo............................................................................. 74

Figura 47 Configurao mais utilizada no Hbrido em srie............................................... 75

Figura 48 Mapa de potncia x velocidade de um motor de combusto interna................. 77

Figura 49 Configurao do veculo Hbrido em paralelo.................................................... 79

Figura 50 Hbrido em paralelo com acoplamento de torque de dois eixos......................... 80

Figura 51 Hbrido em paralelo com acoplamento de torque de um eixo ps transmisso......... .................................................................................................................................................81

Figura 52 Hbrido em paralelo com acoplamento de velocidade .........................................82

Figura 53 Hbrido em paralelo com acoplamento de torque e de velocidade......................84

Figura 54 Arquitetura utilizada no Toyota Prius de um eixo ps transmisso......................86

Figura 55 Arquitetura utilizada no Toyota Prius...................................................................87

Figura 56 Diagrama conceitual da frenagem regenerativa..................................................88

Figura 57 Quadrantes de operao da mquina eltrica.....................................................89

Figura 58 Exemplo de motor de im permanente CA trifsico.............................................91

Figura 59 Corrente alternada...............................................................................................92

Figura 60 Diagrama simplificado 01.....................................................................................92




Figura 64 Torque gerado e velocidade rotacional................................................................95

Figura 65 Estratgia de controle do freio em srie com tima sensao de frenagem..... 96

Figura 66 Estratgia de controle do freio em srie com recuperao ideal de energia......98

Figura 67 Estratgia de controle do freio em paralelo.........................................................100

Figura 68 Variao das foras de frenagem com a taxa de desacelerao.......................101

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Classificao internacional dos veculos ............................................................ 59 Tabela 2 Requisitos para aprovao do teste de frenagem a frio por categoria sem a conexo do motor. .............................................................................................................................. 66 Tabela 3 Requisitos para aprovao do teste de frenagem a frio por categoria sem a conexo do motor. .............................................................................................................................. 66 Tabela 4 Procedimento para aquecimento do sistema de freio.do motor. ......................... 67 Tabela 5 Requisitos para aprovao do teste de frenagem a quente por categoria. ......... 67 Tabela 6 Requisitos do teste dinmico de freio de estacionamento. ................................. 68 Tabela 7 Velocidade mxima, mdia de velocidade, energia total de trao, total de energia consumida pelas resistncias e energia consumida durante a frenagem em uma distncia percorrida de 100 Km por um veculo de passageiro de 1500 kg.. ..................................... 102 Tabela 8 Comparativo entre um veculo equipado com sistema de frenagem regenerativa e veculo com sistema de freio convencional.. ...................................................................... 103

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

Km Quilmetros. Km/h Quilmetros por hora. GM General Motors.

OPEP Organizao de Pases Exportadores de Petrleo.

Carb California Air Resources Board Conselho de Recursos Atmosfricos da Califrnia

ZEV Zero Emmission Vehicle Veculo com zero emisso

CG Centro de gravidade

L Distncia entre eixo

C Celsius

CG Centro de gravidade

EBD Electronic Braking-force Distribution Distribuio eletrnica da fora de frenagem

ABS Antilock Braking System Sistema de frenagem anti-bloqueio

DOT Department Of Transportation Departamento de Transporte

FMVSS Federal Motor Vehicle Safety Standards

ECE R Economic Commission for Europe Regulation Comisso Econmica para Regulamentaes da Europa

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas.

CONTRAN Conselho Nacional de Trnsito.

EV Electric Vehicle (Veculo Eltrico) HEV Hybrid Electric Vehicle (Veculo Eltrico Hbrido)

Bsfc Brake specific fuel consumption Consumo de combustvel especifico na frenagem

CA Corrente Alternada

CC Corrente Continua

SUMRIO

1 INTRODUO HISTRICA ....................................................................................................... 16 1.1 INICIO E QUEDA DO VEICULO ELTRICO .......................................................................... 16 1.2 RESSURGIMENTO ATRAVS DA NECESSIDADE ............................................................... 18 2 CONCEITOS DE FRENAGEM .................................................................................................... 23 2.1 INTRODUO A DINMICA VEICULAR ............................................................................. 23 2.1.1 Sistema de coordenadas ......................................................................................................... 23 2.1.2 Centro de gravidade (CG) ..................................................................................................... 24 2.2 SISTEMA DE FREIO ................................................................................................................ 30 2.2.1 Freio a tambor ....................................................................................................................... 30 2.2.2 Freio a disco .......................................................................................................................... 36 2.2.3 Vlvulas reguladoras de presso .......................................................................................... 41 2.2.3.1 Vlvula de corte fixo ......................................................................................................... 42 2.2.3.2 Vlvula de corte sensvel a carga ....................................................................................... 44 2.2.3.3 Vlvula de corte sensvel a presso. ................................................................................... 46 2.2.3.4 Vlvula de corte sensvel a desacelerao. ......................................................................... 47 2.2.4 Servo-freio ....................................................................................................................... 48 2.2.5 Cilindro mestre ..................................................................................................................... 52 2.2.6 Fluido de freio ....................................................................................................................... 54 2.3 SISTEMAS DE FREIOS CONVENCIONAIS ............................................................................ 55 3 LEGISLAO .............................................................................................................................. 59 3.1 APLICAO ............................................................................................................................. 59 3.2 ESPECIFICAES. ................................................................................................................... 60 3.2.1 Sistema de freio de servio ..................................................................................................... 60 3.2.2 Sistema de freio de emergncia ............................................................................................. 60 3.2.3 Sistema de freio de estacionamento ....................................................................................... 61 3.3 TESTES ..................................................................................................................................... 61 3.3.1 Requisito Distncia de frenagem. ....................................................................................... 61 3.3.2 Requisito Estabilidade do veculo em frenagem. ................................................................ 63 3.3.3 Teste frenagem a frio .......................................................................................................... 65 3.3.4 Teste frenagem a quente ..................................................................................................... 66 3.3.5 Teste freios de estacionamento .......................................................................................... 68

3.3.6 Requisito frenagem regenerativa ........................................................................................ 70 4 FRENAGEM REGENERATIVA .................................................................................................. 71 4.1 ARQUITETURA DOS VECULOS ELTRICOS HBRIDOS ................................................... 71 4.1.1 Hbrido em srie ..................................................................................................................... 74 4.1.2 Hbrido em paralelo ............................................................................................................... 78 4.1.2.1 Acoplamento de torque e de velocidade................................................................................. 83 4.2 FUNCIONAMENTO ................................................................................................................. 88

4.2.1 Gerador eltrico ..................................................................................................................... 91 4.2.2 Sistema de freio do EV e HEV ............................................................................................... 95 4.2.2.1 Frenagem em srie com tima sensao de frenagem ............................................................ 96 4.2.2.2 Frenagem em srie com recuperao ideal de energia ............................................................ 97 4.2.2.3 Frenagem em paralelo ......................................................................................................... 100 4.3 BENEFCIOS ........................................................................................................................... 102 5 CONCLUSES ........................................................................................................................... 106 5.1 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ...................................................................... 108 REFERNCIAS ............................................................................................................................. 110

16

1 INTRODUO HISTRICA Segundo Baran (2010) a tecnolgicas recentes, ao contrario do que muitos acreditam. Embora existam muitos avanos nos veculos atuais como as baterias de on de ltio e toda tecnologia digital dos carros modernos, no houveram mudanas radicais nos motores eltricos atuais mantendo assim a sua essncia.

Os veculos eltricos de fato j foram concorrentes dos veculos a gasolina, porm por diversas razes, desde 1910, tiveram participao marginal na histria do automvel. A partir do lanamento do veculo Toyota Prius em 1997, observa-se o crescente nmero de lanamentos de veculos hbridos e puramente eltricos, alm do aumento no nmero de tais veculos no mercado

automotivo global. Neste captulo verificaremos a trajetria desses veculos ao longo da histria at os dias atuais.

1.1 INICIO E QUEDA DO VEICULO ELTRICO Segundo Goldenberg (2005) no perodo de 1895 a 1910 os veculos eltricos tinham mais destaque que os movidos a gasolina nos Estados Unidos da Amrica. No ano de 1900 foram produzidos cerca de 1575 veculos eltricos contra 936 veculos a gasolina, um dos motivos do sucesso do veculo eltrico foram os antecessores bondes eltricos, os primeiros sistemas metrovirios e os sistemas ferrovirios dos pases europeus.

De acordo com Hoyer (2008) a histria do veculo eltrico interligada com a histria da bateria. Em 1859, o belga Gaston Plant apresentou a primeira bateria de chumbo e acido, onde foi utilizada em diversos veculos eltricos desenvolvidos a partir de 1880 nos Estados Unidos da Amrica, Frana e Reino Unido. J em 1901, Tomas Edison desenvolveu a bateria de nquel-ferro com capacidade de armazenamento 40% maior que a bateria de chumbo, porm com custo de produo superior. Alm das baterias duas tecnologias impulsionaram a produo desse tipo

de veculo e melhoraram o seu desempenho, uma foi o sistema hbrido a gasolina e eletricidade, e o outro foi a frenagem regenerativa capaz de transformar a energia cintica do veculo em

movimento em energia eltrica durante a frenagem.

A figura 1 mostra uma publicidade de veculo eltrico do inicio do sculo.

17

Figura 1 Publicidade de veculos eltricos do incio do sculo XX.

FONTE: GOLDEMBERG, Clovis; LEBENSZTAJN, Luiz; PELLINI, Eduardo Lorenzetti.

Porm por volta de 1905 os veculos a gasolina comearam a ganhar mais destaque devido aos seguintes pontos:

Autonomia de aproximadamente 100 Km para o veculo a gasolina contra 50 Km do eltrico.

Preo do veculo US$ 1000 a US$ 2000 para o veculo a gasolina contra US$ 1250 a US$ 3500 para o veculo eltrico.

Custo operacional do veculo US$ 0,01/ milha para o veculo a gasolina contra US$ 0,02 a 0,03/ milha para veculo eltrico.

18

Em 1901 foi descoberto grandes campos de petrleo no Texas fazendo com que o custo da gasolina diminuir.

J entre 1906 e 1910 ficou evidente que os veculos a gasolina eram superiores aos veculos eltricos. Segundo Struben (2006) em 1912 quando os veculos eltricos checaram a marca de 30.000 a frota de veculos a gasolina j estava em torno de 900.000 veculos.

A partir de 1930, a produo dos veculos eltricos diminuiu ainda mais , onde em algumas cidade dos Estados Unidos da Amrica e Reino Unido, os mesmos eram utilizados para servios como entrega de leite, coleta de lixo e servio de entrega. Durante a primeira e segunda guerra

foram registrados um aumento na produo desses veculos devido ao racionamento de gasolina e diesel, no Japo aps guerra observa-se a popularizao do veculo eltrico pelo mesmo motivo citado acima, porm o racionamento cessou aps 1950 e a produo foi descontinuada.

1.2 RESSURGIMENTO ATRAVS DA NECESSIDADE Segundo Goldenberg (2005) a partir de 1960 a questo da poluio veicular comea a gerar preocupao na populao, sendo que os Estados Unidos da Amrica, em 1967, publicaram regulamentos sobre o assunto, onde a partir de ento as montadoras visualizaram o veculo

eltrico com uma alternativa para a questo.

A montadora Ford, em 1967, de acordo com Science, lana o prottipo de veculo eltrico Comuta com capacidade de percorrer 60 Km em velocidade de 40 Km/h e capaz de atingir 60 Km/h. A figura 2 mostra uma ilustrao do veculo.

19

Figura 2 Prottipo Ford Comuta em 1967.

FONTE: SCIENCE MUSEUM.

J a montadora GM lanou, em 1968, o prottipo de veculo eltrico GM 512 que tinha algumas vantagens como percorrer 60 Km em trajetos urbanos e 91 Km em estradas de velocidade constante. A taxa de acelerao era de 12 a 13 segundos para chegar a 50 Km/h. A figura 3 mostra abaixo a ilustrao do veculo.

20

Figura 3 Prottipo veculo eltrico GM 512

FONTE: SCHUTT.

Apesar dos prottipos lanados na dcada de 60 nenhum deles chegou a ser produzido em larga escala devido a questo ambiental ainda no ter fora suficiente.

Nos anos de 1970, segundo Baran (2010), trs questes apontaram para o desenvolvimento de novas alternativas tecnolgicas renovveis para a produo de energia, so elas:

Em 1972, o lanamento pelo Clube de Roma do livro limites para o crescimento, onde chama a ateno para a explorao de recursos naturais no renovveis.

Em 1973, a crise do petrleo causada pelos embargos da OPEP trazendo racionamento em diversos pases.

A conscientizao sobre o uso da energia nuclear como a segurana operacional e destino dos resduos radioativos.

Tambm na mesma dcada, em 1976, o Departamento de Energia dos Estados Unidos da Amrica criou um programa de desenvolvimento de carros eltrico e hbridos. O intuito era

realizar uma pesquisa e difundir as vantagens no uso de tais veculos, pensando para aumentar a aceitao do pblico. Porm mesmo com muitas iniciativas para criao de veculos com fontes

21

alternativas, na dcada de 70 no houve avano na produo desses veculos, devido ao fato dos mesmos serem ainda muito inferiores aos competidores convencionais.

O entusiasmo voltou mesmo no fim dos anos 80, segundo Goldenberg (2010), onde os veculos eltricos ganharam apoio de governantes, ambientalistas e fabricantes de veculos em todo o

mundo. No incio dos anos 90 o estado da Califrnia, nos Estados Unidos da Amrica, criou as primeiras normas regulatria de emisso zero. A Carb (California Air Resources Board) rgo do governo responsvel por monitorar a qualidade do ar do estado da Califrnia, definiu uma cota de vendas de veculos com emisso zero. De acordo com a legislao do estado citado acima, cada fabricante de veculos receberia US$ 5.000 para cada ZEV (Zero-emission-vehicle) vendido dentro da cota, a partir de ento a GM e Honda iniciaram o desenvolvimento de veculos eltricos viveis ao mercado.

Em 1997, a fabricante Toyota, lana no mercado japons o veculo hbrido Prius, veculo sed de 04 portas. Segue abaixo figura do veculo:

Figura 4 Veculo hbrido Prius fabricado pela Toyota em 1997.

FONTE: TOYOTA.

22

Segundo Baran (2010) a Honda foi a primeira a lanar um veculo hbrido no mercado norte americano, o hbrido Insight, no qual obteve sucesso imediato. Em 2000 foi a vez do Prius

chegar em solo norte americano, onde encontrou um sucesso muito maior que o esperado pela fabricante japonesa Toyota, o mesmo aconteceu no mercado europeu. Em 2003, a Honda lanou o Civic hbrido e em 2004 a Ford lanou o Escape, utilitrio esportivo na verso hbrida.

Como visto a partir de ento o mercado automotivo inicia uma nova fase, no qual veculos

eltricos e hbridos so desenvolvidos e aperfeioados com o objetivo de diminuir a dependncias de combustveis no renovveis e consequentemente a emisso de poluentes no meio ambiente. Segundo a fabricante Toyota, a famlia Prius obteve 52 % do mercado hbrido americano na primeira metade de 2012, registrando a marca de 1,2 milhes de veculos vendidos na Amrica do Norte e 2,9 milhes no restante do mundo (dados de 30 de junho de 2012).

Em 2009, foi criado nos Estados Unidos da Amrica o American Clean Energy and Security Act 2009. Lei esta que estabelece que a Secretaria de Energia e as distribuidoras de energia desenvolvam um plano para desenvolvimento de redes inteligentes integradas com suporte a tecnologia PHEV Plug in Hybrid Electric Vehicle1. Junto com a lei definiu-se uma quantia de US$ 50 bilhes, at 2020, como assistncia financeira para as montadoras que se dedicarem ao desenvolvimento de veculos hbridos.

1 Plug in Hybrid Electric Vehicle so veculos equipados com baterias recarregveis, que podem

ser carregadas diretamente da rede de distribuio de eletricidade.

23

2 CONCEITOS DE FRENAGEM 2.1 INTRODUO A DINMICA VEICULAR A dinmica veicular uma rea de estudo do movimentos dos veculos, automveis, nibus e caminhes em uma superfcie de rolamento. Segundo Gillespie (1992), os movimentos interessados so a acelerao, a frenagem, a trajetria e o comportamento em curva. O comportamento da dinmica do veculo dado pela imposio de foras no veculo como gravidade, aerodinmica e principalmente nos pneus devido ao contato direto com o pavimento. Tais foras so observadas pelo motorista como vibraes, rudos e atravs dos instrumentos do veiculo (Velocmetro, rotao do motor, temperaturas e etc...). Outro fator importante e que influncia na dinmica do veculo o meio ambiente, pois o mesmo afeta o veculo e o motorista, o veculo atravs das condies da estrada e condies do ar (resistncia aerodinmica). J o motorista afetado pelo clima e visibilidade.

2.1.1 Sistema de coordenadas

De acordo com Gillespie (1992), convencionalmente os movimentos do veculo so referenciados a um sistema de coordenadas ortogonais fixados no CG do veculo, em acordo com a conveno de coordenadas SAE. A figura 5 mostra esta conveno.

Figura 5 Sistema de coordenadas SAE

FONTE: Gillespie (1992)

24

X Eixo longitudinal e parte dianteira do veculo.

Y Eixo lateral e lado direito do veculo.

Z Eixo vertical e descendente ao veculo.

p Rolamento (Roll) referente ao eixo X.

r Guinada (Yaw) referente ao eixo Z.

q Arfagem (Pitch) referente ao eixo Y.

Podemos dizer que o estudo dinmica veicular divido em trs partes, sendo elas: Dinmica Longitudinal, Dinmica Lateral e Dinmica Vertical. Em dinmica longitudinal estuda-se o movimento do veculo no eixo longitudinal relacionado a performance, segurana, acelerao, retomada de velocidade, capacidade para desacelerao e estabilidade em frenagem. J em

dinmica vertical estuda-se as aceleraes e desaceleraes no eixo vertical relacionado com o nvel de conforto do veculo e suspenso. Em dinmica lateral estuda-se o comportamento do

veculo em curva, estabilidade direcional, sistema de direo e distribuio de massa no veculo.

2.1.2 Centro de gravidade (CG) O posicionamento do CG no veculo muito importante para a determinao de suas caractersticas de desempenho e estabilidade, segundo Canale (1989). possvel determinar a posio do CG pesando o eixo traseiro dianteiro e traseiro do veculo, conforme figura 6 abaixo, onde o modelo apresentado para um veculo com peso em ordem de marcha, ou seja, peso do veculo somente com todos os equipamentos e fluidos necessrios para o funcionamento do mesmo.

25

Figura 6 Determinao do CQ na posio longitudinal.

FONTE: Canale (1989)

Segundo Canale (1989), com o valor conhecido de L e o resultado da medio de Wf e Wr obtm-se W.

Wr = W Wf. (2.1)

O valor de Lf e Lr dado pela somatria dos pontos A e B da ilustrao acima.

=

(2.2)

=

(2.3)

Da mesmas forma acima possvel encontrar o CG na posio vertical, conforme Figura 7,

abaixo:

26

Figura 7 Determinao do CG na posio transversal.

FONTE: Canale (1989).

Com valor conhecido de W e S, obtm-se os valores de S1 e S2 atravs da somatria dos pontos C e D:

1 =

(2.4)

2 =

(2.5)

Para se obter a posio do CG na vertical o trabalho complicado, pois segundo Canale (1989), deve-se elevar a parte traseira do veculo at uma quantidade n qualquer, conforme figura 8 abaixo. Recomenda-se tambm aumentar a presso dos pneus para uma medio de altura mais

precisa em relao ao solo.

27

Figura 8 Determinao do CG na posio vertical.


Com a elevao a uma altura n possvel medirmos o valor de Wf. Lembrando que as molas da suspenso devem estar travadas e a posio do CQ na longitudinal conhecido, ou seja, o valor de Lr descrito acima.

Atravs da somatria em torno de A obtemos:

=

(2.7)

Sendo que = e substituindo em 2.7 obtemos:

=

(2.8)

Onde = .

Para um estudo mais abrangente podemos determinar o ponto de CG para o veculo carregado da mesma forma que determinamos acima. Figura 9 abaixo ilustra o veculo carregado.

28

Figura 9 Determinao do ponto de CG para o veculo carregado.


Atravs da somatria em torno de A, para vrios carregamentos, temos a posio do CG para eixo longitudinal:

" =

(2.9)

Atravs do somatrio em torno do B, para vrios carregamentos, temos a posio do CG para eixo transversal:

" =

(2.10)

E da mesma maneira possvel determinar a posio do ponto de CG para o eixo vertical:

" =

(2.11)

Com a execuo dos clculos acima pode-se concluir que a posio do CG do veculo varia de acordo com o carregamento do mesmo, isso afeta diretamente o comportamento do veculo em frenagem, desempenho em rampa e entre outros fatores. Porm as normas de freios estabelecem os requisitos mnimos de desempenho veicular sob qualquer carregamento permissvel, entende-

se por carregamento permissvel aquele que respeita os limites impostos pelos fabricantes. Portanto para se conhecer as posies do CG e poder entender as suas consequncias, Canale

(1991) utiliza um mtodo chamado passeio pelo centro de gravidade, tcnica essa que

29

utilizada para projetos aeronuticos. Esta tcnica tem como base as dimenses do veculo, limites de carregamento dos eixos, rodas e o limite de carga do veculo.

Figura 10 mostra exemplo de grfico de passeio pelo CG.

Figura 10 Passeio longitudinal do CG.


Segundo Gioria (2008), a figura 10 apresenta a aplicao do mtodo do passeio do CG em um veculo de passeio para se determinar o passeio longitudinal do CG. Com o peso em ordem de marcha do veculo se traa a reta (I) e com o peso total mximo do veculo se traa a reta (II). A curva (III) representa o carregamento do banco dianteiro a partir do peso em ordem de marcha. A curva (IV) limita o peso mximo do banco dianteiro. Da mesma forma, a curva (V) representa o carregamento do porta malas a partir do peso em ordem de marcha, e a curva (VI) o limite mximo de peso no porta malas. A rea em destaque, ou delimitadas pelas curvas, o passeio longitudinal do CG do veculo de acordo com o carregamento. O ponto destacado na curva (III) chamado de peso operacional, que o peso em ordem de marcha somado com o peso de um motorista de 75kgf no banco dianteiro.

30

2.2 SISTEMA DE FREIO

Assim como todo veculo necessita se movimentar utilizando a sua motorizao, seja ela a combusto, eltrica ou ambas, o veculo tambm necessita reduzir a velocidade e parar utilizando um sistema de freio. Basicamente o sistema de freio tem como funo permitir o usurio diminuir a velocidade, controlar o veculo durante a desacelerao em situaes normais de uso

ou at mesmo em um parada emergencial. Os sistemas de direo e o sistema de freio so os mais importantes na preveno de acidentes.

Segundo Limpert (1992), a frenagem envolve a transformao das energias cintica e potencial do veculo em energia trmica. O projeto de freio deve considerar os fatores de estabilidade de frenagem, frenagem na curva, distncia parada, desgaste do freio e anlise trmica do sistema.

Atualmente so utilizados no setor automotivo os freios a disco e os freios a tambor, onde a

legislao no determina qual o tipo de sistema a ser utilizado e sim os requisitos mnimos de frenagem a serem respeitados.

2.2.1 Freio a tambor

Os freios a tambor, segundo Viveros (2010), so amplamente utilizados no mercado automotivo brasileiro de veculos de passeios e comerciais, devido ao seu baixo custo quando comparado com os freios a disco. O freio a tambor consiste de um tambor girando solidrio a roda do veculo e sapatas presas ao chassi nas quais onde as lonas se alojam, a fora de frenagem gerada pela compresso das lonas na superfcie interna do tambor.

A figura 11 mostra um exemplo de freio a tambor e seus componentes.

31

Figura 11 Componentes do freio a tambor.

FONTE: Raszl (2012).

Segundo Gillespie (1992), o freio a tambor foi muito utilizado por causa do alto fator de freio2 e a fcil incorporao do sistema de freio. Porm por outro lado, o freio a tambor pode no ser to consistente no desempenho de torque quanto ao freio a disco.

As taxas de desacelerao devem ser mantidas sob frenagem continua e repetidas paradas a partir de altas velocidades, segundo o Guia Bosch (1995), os freios devem ter as seguintes caractersticas: absoro e dissipao trmica adequada, escoamento de ar sobre os freios suficiente para dissipar o calor gerado durante a frenagem e as pastilhas ou lona de freio devem manter suas propriedades de atrito por uma faixa ampla de temperatura.

O freio a tambor altamente sensvel a temperatura, ou seja, pode chegar a temperatura de fade3 rapidamente, temperatura na qual o coeficiente de atrito do freio diminui. Segundo Limpert (1992), uma temperatura de 400C a 427C no deve ser ultrapassada.

____________________

2 Fator freio o ganho mecnico para minimizar o esforo de acionamento requerido. 3 Fade a reduo do coeficiente de atrito do freio devido ao aumento de temperatura.

32

Alm do coeficiente de atrito, o dimetro do tambor aumenta com a temperatura, a 375C o dimetro do freio a tambor de um tpico carro de passeio pode aumentar de 1 a 1,5mm, com um curso de cilindro de freio correspondentemente mais longo, suficiente para aumentar de 30 a 40% o valor normal do curso do pedal, ou seja, transmitindo a sensao de pedal baixo para o usurio.

Basicamente o sistema de freio a tambor dado pelo arranjo feito com as sapatas. As sapatas por suas vez so divididas em:

Sapata Primria (Guiada) tende a se mover no sentido de rotao do tambor.

Sapata Secundria (Arrastada) Recebe a ao do cilindro de roda contrrio ao sentido de rotao do tambor.

Figura 12 abaixo mostra as sapatas do freio tambor.

Figura 12 Sapata primria e secundria do freio a tambor.


Existem 4 diferentes tipos de arranjos de projetos de freio: Simplex, Duplex, Duo-Duplex e o Duo-Servo.

Sapata Secundria Sapata Primria

33

No modelo simplex tem-se uma sapata de freio guiada e a outra arrastada. configurao mais simples de freio a tambor. Segundo Ralz (2012), ao inverter o sentido de rotao do tambor, a sapata secundria passa a ser primria e a primria passa a ser secundria. A figura 13 abaixo mostra o modelo Simplex.

Figura 13 Modelo de freio a tambor Simplex.


No modelo duplex tem-se duas sapatas guiadas, ou dependendo do sentido, duas sapatas arrastadas. Este modelo possui dois cilindros de roda, onde cada cilindro aciona uma das sapatas simultaneamente, de tal forma que em um sentido de rotao do tambor, ambas so primrias e, no sentido oposto, as duas so secundrias. A figura 14 abaixo mostra um exemplo de modelo duplex.

34

Figura 14 Modelo de freio a tambor Duplex.


No modelo duo-duplex tem-se duas sapatas guiada independente do sentido de giro do tambor de

freio. Este sistema possui 2 cilindros de roda, que aplicam foras simultneas na sapatas de tal forma que o comportamento do sistema independe do sentido de rotao do tambor. A figura 15 abaixo mostra um exemplo de sistema duo-duplex.

Figura 15 Modelo de freio a tambor Duo-Duplex.


E o ltimo modelo o duo-servo tem-se uma sapata guiada e a outra duplamente guiada independente do sentido. Este sistema possui somente um cilindro de roda, o mesmo aplica uma fora na sapata primria que recebe a fora do tambor que transferida para a sapata secundria. Essa reao soma-se prpria ao do pisto na sapata secundria, provocando assim um maior

Cilindro de freio 1

Cilindro de freio 2

Tambor de freio

Sapata

Sapata

35

desgaste na sapata secundria. A figura 16 abaixo mostra um exemplo de sistema de freio duo-servo.

Figura 16 Modelo de freio a tambor duo-servo.


A figura 17 abaixo mostra a relao entre a fora exercida pelo cilindro de roda na sapata e a fora que a sapata exerce na parede do tambor versus o nvel de atrito.

Figura 17 Fator freio x nvel de atrito.


36

2.2.2 Freio a disco

Basicamente o sistema de freio a disco consiste em um disco ou rotor que gira solidrio a roda do veculo, a fora de frenagem ocorre quando o caliper, ou pina, pressiona as pastilhas contra o disco que produz o torque do freio. A figura 18 mostra exemplo do freio a disco.

Figura 18 Componente do freio a disco.


O freio a disco possui maior eficincia e maior linearidade entre o torque de frenagem e o coeficiente de atrito entre a pastilha e o disco, segundo Gioria (2008). Porm a maior vantagem do freio a disco esta em operar com pouco fade altas temperaturas de 800 a 900C. O aquecimento do disco de freio aumenta a sua espessura e no causa perda no volume do fluido de freio, ou seja, no apresenta aumento no curso do pedal e no proporciona o efeito pedal solto.

Atualmente existem dois tipos de disco de freio no mercado o tipo slido e o tipo ventilado. O tipo slido tem como vantagem a facilidade em sua produo, devido a simplicidade do processo de fabricao que garante o preo baixo do produto. Porm segundo Ralz (2012), o disco de freio

37

slido tem uma capacidade limitada de absorver energia liberada durante a frenagem, a falta de um sistema que auxilie na troca de calor com o meio (ar) faz com o sistema apresente um baixo desempenho de frenagem, isso devido aps varias frenagens seguidas, o disco no possibilita mais liberar energia absorvida o que ocasiona fade e consequentemente aumenta a sua distncia de frenagem.

Agora o disco ventilado pode contar com vrios mecanismos para auxiliar a troca de calor com o

meio. Devido a capacidade de troca de calor o sistema adotado para competies e para o uso nos veculos de passeio em geral. Existem mais de 120 tipos de geometria diferentes para o disco de freio ventilado, porm os utilizados em larga escala o modelo de palhetas retas. A figura 19 abaixo mostra um exemplo de disco slido e disco ventilado.

Figura 19 Exemplo de disco slido e disco ventilado.

FONTE: Ralz (2012).

Outro componente fundamental para o freio a disco o tipo de pina, existem trs tipos de projeto o fixo, o deslizante e o flutuante. No projeto fixo a pina fixada no suporte e possui de dois a quatro mbolos que empurram as pastilhas contra o disco quando o sistema esta pressurizado. A figura 20 mostra o funcionamento da pina fixa.

a) Disco slido. b) Disco ventilado.

38

Figura 20 Exemplo de funcionamento da pina fixa.


Segundo Gardinalli (2005), quando o fluido de freio adentra a cmara ele desloca os mbolos que empurram a pastilha, que por sua vez atrita com o disco de freio solidrio a roda do veculo e quando os freio so liberados, anis de vedao retornam o pisto para posio. A energia cintica do veculo dissipada em calor e a velocidade reduzida. Esse grande calor gerado eleva a temperatura do fluido de freio atravs de trocas condutivas e convectivas, como pode-se observar o caminho do fluido de freio muito prximo a regio de troca de calor e existe pouca circulao de ar para arrefecimento. Portanto para este tipo de freio mais comum ocorrer a

falha por sobreaquecimento do fluido de freio que no projeto de pina deslizante.

O projeto de pina flutuante utiliza-se somente um embolo, quando o mesmo acionado a pastilha de freio entra em contato com o disco e simultaneamente o mesmo embolo empurra a carcaa em direo oposta aplicando a pastilha externa contra o disco. A figura 21 abaixo mostra

o funcionamento da pina flutuante.

39

Figura 21 Exemplo de funcionamento da pina flutuante.

FONTE: Gardinalli (2005).

Pode-se observar que ao fluido de freio adentrar o mesmo movimenta o embolo, que por sua vez movimenta a pastilha e tambm a carcaa que mantm a pastilha externa. O deslocamento da pina ocorre sobre duas guias localizadas no corpo fundido da carcaa e do suporte. Este projeto se destaca em relao ao fixo devido a sua instalao requerer pouco espao, pois no possuem embolo do lado externo, o mesmo esta menos sujeito ao aquecimento do fluido de freio e tem menos pontos de vazamento.

E o ltimo projeto o pina deslizante que se destaca pela manuteno ainda mais simples que o modelo anterior e por ser largamente utilizado nos veculos de passeio do mercado brasileiro,

segundo Gardinalli (2005). O projeto pina deslizante tem basicamente o mesmo funcionamento do pina flutuante, porm desliza sobre pinos guia invs de se mover sobre guias do suporte. A

figura 22 abaixo mostra o funcionamento do pina deslizante.

40

Figura 22 Exemplo de funcionamento do pina deslizante.


E a pastilha de freio complementa o conjunto de freio a disco, abaixo a figura 23 mostra uma exemplo de pastilha.

41

Figura 23 Exemplo de pastilha de freio.


Segundo Gardinalli (2005), as pastilhas de freio mantm contato com ambas as faces dos disco de freio, onde a mesma constituda por uma placa metlica, onde em uma de suas faces

depositado o material de atrito. A outra face recebe a ao do mbolo da pina, que comprime o material depositado contra o disco de freio e assim gera-se o torque de atrito. O material de atrito diretamente responsvel pelo desempenho do freio e sua composio varia de acordo com a necessidade do projeto, em geral esta composio baseada em limalhas de ferro, cobre em p, oxido alumnio, resinas, grafite, antimnio, aglutinantes e redutores de rudo.

2.2.3 Vlvulas reguladoras de presso

Conforme Viveros (2010), durante a frenagem do veculo ocorrem transferncias de carga do eixo traseiro para o eixo dianteiro do veculo, ou seja, existe uma variao dinmica da carga de frenagem nos eixos dianteiro e traseiro. As foras de frenagem aplicadas nas rodas dianteiras do veculo devem ser maiores do que nas rodas traseiras, afim de evitar o travamento do eixo traseiro que causaria a instabilidade do veculo. Porm esta transferncia de carga do eixo traseiro para o eixo dianteiro no um processo linear. Sua magnitude aumenta em funo da desacelerao. Por isso necessrio meios suplementares de reduzir presso nas rodas traseiras em relao a presso das rodas dianteiras.

Basicamente tem-se os seguintes modelos de vlvulas reguladoras de presso:

Vlvula de corte fixo.

42

Vlvula de corte sensvel a carga.

Vlvula de corte sensvel a presso.

Vlvula de corte sensvel a desacelerao.

Segundo Gardinalli (2005), no mercado brasileiro as solues mecnicas mais conhecidas so as vlvulas de corte fixo e as vlvulas de corte sensvel a carga.

2.2.3.1 Vlvula de corte fixo

A vlvula de corte fixo so vlvulas de baixo custo que permitem o aumento da presso at o um determinado valor que chamado de ponto de corte. A partir do ponto de corte, ainda que o

motorista aumente a fora aplicada no pedal, a presso no eixo traseiro no aumentar mais. A figura 24 abaixo mostra exemplo dos componentes internos de uma vlvula de corte fixo.

Figura 24 Exemplo em corte de vlvula de corte fixo.


Segundo Raszl (2012), durante o funcionamento da vlvula ocorre uma intermitncia entre as posies aberta e fechada, pois quando o freio permanece acionado a presso do lado da rea menor aumenta e vence a mola principal, abrindo a passagem para o fluido de freio. Em seguida o fluido passa pela vlvula e gera um aumento de presso na rea maior e novamente fecha e passagem. Portanto essa intermitncia gera o ponto de corte. As figuras 25 e 26 mostram o funcionamento da vlvula em posio aberta e fechada.

43

Figura 25 Exemplo de vlvula de corte em posio aberta.


Figura 26 Exemplo de vlvula de corte em posio fechada.


A figura 27 na sequncia demonstra a distribuio de frenagem utilizando uma vlvula de corte, onde pode-se observar no exemplo que o ponto de corte dado a 450 psi de presso no eixo traseiro do veculo.

44

Figura 27 Distribuio de frenagem com vlvula de corte.


2.2.3.2 Vlvula de corte sensvel a carga

Segundo Gardinalli (2005), a aplicao da vlvula sensvel a carga tem aumentado no mercado brasileiro no somente em veculos de carga, como pick ups leves e caminhes, mas tambm em station wagon e at mesmo em veculo de compactos. A vlvula sensvel a carga uma soluo mecnica que visa diminuir a presso nos freios traseiros em funo da carga do veculo, uma vez que tem-se infinitas formas de distribuio de carga no veculo. A figura 28 abaixo mostra

esquema de uma vlvula sensvel a carga.

Presso no eixo traseiro (psi)

Pre

ss

o n

o e

ixo

dia

nte

iro

(p

si)

Limite da

Ponto de corte

45

Figura 28 Esquema de vlvula sensvel a carga.


Na figura 28, (a) representa a condio de um veculo com carga, (b) veculo vazio, (1) mbolo graduado, (2) molas de controle, (3) sada para os freios traseiros, (4) entrada do fluido vindo cilindro mestre, (5) mecanismo de acionamento e (6) eixo traseiro.

Segundo Gardinalli (2005), de acordo com a carga do veculo o mecanismo de acionamento (6) imprime um tenso de compresso nas molas de controle (2). No incio, o fluido pressurizado pelo cilindro mestre entra pelo orifcio (4) e encontra o mbolo graduado (1) na posio superior devido a ao das molas de controle (2), permitindo a passagem sem restrio do fluido pela vlvula. Na medio que a presso no pedal aumenta, a presso da cmara interna tambm

aumenta tornando-se igual e acaba vencendo a fora elstica da mola. Neste momento o ponto de corte ocorre e o embolo graduado (1) passa a vedar totalmente a passagem de fluido entre a sua parte superior e a sede cnica do corpo da vlvula. Um novo aumento de presso depender da capacidade da presso aplicada elevar o mbolo (1) forando-o a abrir novamente a passagem para o fluido. E nesta condio o ocorrer o mesmo que na vlvula de corte fixo, pois a rea pela qual presso de entrada passa a agir menor que a rea onde a presso atuante do freio atua, sendo assim ocorre um aumento de presso na rea maior e fecha a passagem do fluido.

46

O ciclo acima ocorre para cada posio de carga do veculo, pois de acordo com cada carregamento o mecanismo aplicar uma pr-carga diferente nas molas de controle (2), garantindo assim infinitos pontos de corte diferentes, conforme mostrado na figura 29 abaixo.

Figura 29 Distribuio de frenagem com vlvula sensvel a carga.

FONTE: Viveros (2010).

Segundo Viveros (2010), temos 1) fora de frenagem sem o emprego de vlvula, 2) distribuio ideal para um veculo carregado, 3) presso reduzida por ao da vlvula para um veculo carregado, 4) distribuio ideal para um veculo vazio, 5) presso reduzida por ao da vlvula para um veculo vazio e 6) ponto de corte.

2.2.3.3 Vlvula de corte sensvel a presso.

Segundo Gioria (2008), a vlvula de corte sensvel a presso tambm conhecida como vlvula limitadora de presso. A mesma tem aplicao em veculos que o potencial de transferncia de carga entre os eixos restringido por uma capacidade de carga limitada e um baixo CG, como

exemplo o carro de corrida. A figura 30 na sequncia mostra a distribuio de frenagem da vlvula de corte sensvel a presso.

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Figura 30 Distribuio de frenagem da vlvula de corte sensvel a presso.

FONTE: Gioria (2008)

De acordo com a figura 30, observa-se 1) distribuio da fora de frenagem sem o emprego de vlvula, 2) distribuio ideal para veculo carregado, 3) distribuio ideal de um veculo vazio, 4) presso reduzida por ao da vlvula e 5) ponto de corte.

2.2.3.4 Vlvula de corte sensvel a desacelerao.

Segundo Viveros (2010), as vlvulas de corte sensvel a desacelerao so usada em varias aplicaes, pois as mesmas oferecem propriedades de compensao efetivas. Devido a presso de frenagem requerida para manter qualquer taxa de desacelerao depender do carregamento do veculo, esta vlvula oferece uma operao sensvel carga. A figura 31 na sequncia mostra

a distribuio de frenagem da vlvula de corte sensvel a desacelerao.

48

Figura 31 Distribuio de frenagem da vlvula de corte sensvel a desacelerao.


Na figura 31 acima tem-se, 1) distribuio de fora de frenagem sem o emprego de vlvula, 2) ponto de corte para veculo carregado e 3) ponte de corte para veculo vazio.

De acordo com Gioria (2008), existem ainda outros fatores que influenciam na disponibilidade da fora de frenagem em cada roda alm da transferncia longitudinal de carga. Como exemplo, a transferncia lateral de carga, similar a transferncia longitudinal de carga, porm gerada pela a acelerao lateral que causa rolagem no veculo. Outro fator o carregamento dos pneus

devido as diferentes possveis distribuies de carga no veculo, apresentado na seo 2.1.2. E ainda variaes na aderncia na rea de contato de cada pneu com o pavimento. Portando

conclui-se que surge a necessidade de controle mais preciso da distribuio de presso de frenagem, onde EBD (Electronic Braking-force Distribution) e o controle individual de frenagem das rodas com o ABS (Antilock Braking System).

2.2.4 Servo-freio

Segundo Raszl (2012), o servo-freio para aplicaes leves uma unidade servo mecnica, cuja funo auxiliar de maneira exata, controlada, e diminuir o esforo fsico do condutor para uma

49

frenagem segura do veculo. Ou seja, o servo-freio amplifica a presso aplicada no pedal de freio para reduzir o esforo do condutor.

O servo-freio montado entre o pedal do freio e o cilindro mestre, com o extensor de acionamento (A) fixado ao pedal de freio e o extensor de sada (B) em contato com o cilindro mestre, conforme figura 32 abaixo.

Figura 32 Instalao do servo-freio.


O servo-freio utiliza o vcuo criado no coletor de admisso do motor para aumentar a fora do extensor de sada (B) em relao fora a aplicada sobre o extensor de acionamento (A), podendo checar ao aumento de aproximadamente 6:1, ou seja, para cada unidade ou fora aplicada em A, conforme figura 32, tem-se 6 unidades ou fora no extensor (B).

Conforme Gardinalli (2005), o modelo de servo-freio mais utilizado em veculos de passeio modelo a vcuo, que aproveita a presso negativa do coletor de admisso de um motor ciclo Otto. O nvel dessa presso varia entre 500 a 900 mbar abaixo da presso atmosfrica, de acordo com as caractersticas construtivas do motor. Existe tambm o servo-freio hidrulico, mais comum em utilitrios, veculos grandes e de carga, onde a assistncia provm de uma bomba hidrulica acionada pelo motor do veculo. A figura 33 ilustra o modelo acima de servo-freio a vcuo.

B A

1 unidade /

fora 6 unidades

/fora

50

Figura 33 Modelo de servo-freio a vcuo de dupla cmara.


No servo-freio a vcuo, uma membrana de borracha (4) est fixada a um disco metlico e separa as cmara de vcuo (3) e de trabalho (12). Quando o freio no est aplicado, as duas cmaras esto conectadas atravs de condutos pelo interior do corpo da vlvula (8). Estabelece-se, desta maneira, vcuo em ambas as cmaras. Ao iniciar o acionamento do pedal de freio, a haste de conexo (10) se move afastando o mbolo sensor (6), que abre a passagem do ar atmosfrico via filtro (9) para a cmara de trabalho (12). Ao mesmo tempo, o movimento da haste de conexo (10) fora o isolamento entre as duas cmaras, pela ao de vlvula dupla (7) e seu assento (11), para que o ar atmosfrico no atinja a cmara de vcuo. A diferena de presso entre as duas cmera gera uma fora resultante no disco (5) que atua sobre a haste do cilindro mestre (1), assistindo o condutor na atuao do freio. A figura 34 na sequncia ilustra o funcionamento do

servo-freio durante frenagem.

51

Figura 34 Servo-freio acionado.


Quando o pedal de freio liberado, a frenagem interrompida, a membrana retorna por ao da mola (2) e as cmaras de vcuo (3) e trabalho (12) so novamente conectadas, preparando o dispositivo para um nova frenagem assistida. A figura 35 na sequncia ilustra o servo freio aps desacionar o pedal de freio.

Vcuo (Baixa presso)

Atmosfrica (Alta presso)

Pedal acionado

Haste do cilindro mestre

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Figura 35 Servo-freio desacionado.


Conforme Gardinalli (2005), com o conceito empregado neste modelo de servo-freio garantida a atuao no cilindro mestre mesmo que ocorra uma ruptura na membrana, porm sem a assistncia vcuo. Este se d em casos de danos a membrana, de forma puramente mecnica. A vlvula de reteno (3) permanece aberta enquanto houver vcuo no coletor de admisso. Quando o motor do veculo desligado, a vlvula de reteno assegura um certa quantidade de vcuo no servo-freio, e evita que vapores de combustvel contaminem a cmara de vcuo,

danificando sua membrana de borracha.

2.2.5 Cilindro mestre

Segundo Gardinalli (2005), o cilindro mestre responsvel pela converso da fora aplicada pelo servo-freio em presso hidrulica no fluido, para acionamento dos freios das rodas. Basicamente existem 3 tipos de cilindro mestre: cilindro mestre simples, cilindro mestre duplo

tambm conhecido como cilindro mestre tandem e o cilindro mestre duplo com vlvula central.

Haste do cilindro mestre

Vcuo (Baixa presso)

Atmosfrica (Alta presso)

Pedal desacionado

53

Segundo Gioria (2008), as legislaes ECE 13R09 e a FMVSS 105, exigem que veculos de passeio sejam equipados usando um cilindro mestre que atenda a dois circuito de freios independentes, onde o aplicvel seria o cilindro mestre duplo. Isto devido ao cilindro mestre duplo possui duas cmaras hidrulicas independentes, ou seja, caso ocorra perda de presso em algum ponto do sistema de freio, perde-se presso somente de duas rodas do veculo, possibilitando que os freios das outras rodas continuem operando normalmente.

A figura 36 na sequncia mostra um modelo de cilindro mestre duplo com vlvula central. Este modelo de cilindro mestre aplicado em veculo equipados com ABS que requerem o uso da vlvula central (16), sem esta ocorreriam danos ao copo central (17) durante as redues de presso promovida pelo mdulo hidrulico. J nos veculos sem ABS o modelo de cilindro de mestre duplo aplicado.

Figura 36 Cilindro mestre duplo com vlvula central.


No cilindro mestre duplo com vlvula central tem-se, (1) corpo do cilindro mestre, (2) sada para o circuito secundrio de freio, (3) cmara secundria, (4) mola da vlvula central, (5) conexo com o reservatrio de fluido, (6) mbolo flutuante, (7) batente da vlvula central, (8) mbolo intermedirio, (9) cmara intermediria, (10) mola da cmara primria, (11) furo de compensao, (12) furo de retorno, (13) bucha, (14) mbolo primrio, (15) mola da cmara

54

secundria, (16) selo da vlvula central, (17) copo principal, (18) pino da vlvula central, (19) copos de isolamento, (20) anel suporte, (21) disco de encosto, (22) copo secundrio e o (23) anel elstico.

Segundo Gardinalli (2005), quando o pedal de freio acionado, o movimento transmitido para o mbolo primrio (14) atravs da haste do cilindro mestre, via servo-freio. Ao ultrapassar o furo de compensao (11), mbolo primrio (14) comea a gerar presso no fluido, que ir movimentar os mbolos intermedirio (8) e secundrio (6). Como consequncia deste movimento, pino (18) se afasta do batente (7) e o selo (16) fecha o retorno do fluido, iniciando a gerao de presso na cmara secundria tambm. Os freios de ambos os circuitos, primrio e secundrio, so acionados pelo deslocamento de fluido gerado nas respectivas cmaras. Quando o pedal de freio desaplicado, o fluido retorna para o reservatrio via cmara intermediria (9) e furo de retorno (12), por ao das molas (10) e (15).

2.2.6 Fluido de freio

Segundo Gardinalli (2005), o fluido de freio o meio fsico empregado para transmitir a energia muscular do motorista, amplificado pelo servo-freio e convertida em presso hidrulica pelo cilindro mestre, at os freios, ou seja nas todas dianteiras e traseiras do veculo. Sua composio qumica normalmente est baseada em glicis.

Tratando-se de fluido de freio uma das caractersticas mais importantes o seu ponto de ebulio, pois os freios possuem regies de forte elevao de temperatura. Ocorrendo, a presena de bolhas de vapor reduzir a capacidade de transmisso de energia do cilindro mestre para os

freios, j que parte da energia muscular ser dissipada para comprimir as bolhas de vapor.

A dependncia da viscosidade do fluido com a temperatura deve ser mnima, pois o veculo onde

o fluido opera poder estar exposto a climas frios (- 40C), ao mesmo tempo em que a temperatura do freio se eleva a medida que o mesmo utilizado durante a viagem. Tambm a

compressibilidade deve ser mnima e estvel a temperatura. Uma vez que o freio um item de segurana, no se pode admitir que o fluido seja corrosivo as parte metlicas ou ataque quimicamente os anis de vedao em elastmeros existentes no sistema. As propriedades fsico-qumicas dos fluidos so designadas no Brasil pelas siglas DOT (Department Of

55

Transportation), acompanhadas de um ou mais dgitos, conforme norma americana FMVSS 116.

2.3 SISTEMAS DE FREIOS CONVENCIONAIS

Em um sistema de freio convencional, conforma figura 37 na sequncia so empregados (1) o pedal de freio, (2) servo-freio, (3) cilindro mestre, (4) reservatrio de fluido de freio, (4) freio dianteiros a disco, (6) vlvula de corte e freios traseiros a tambor.

Figura 37 Componentes de um sistema de freio convencional.

FONTE: Gioria (2008).

Portanto o sistema de freio tem o seguinte funcionamento ao ser solicitado pelo motorista, o

pedal de freio (1) acionado pela fora muscular do mesmo quem aciona a haste de estradas do servo-freio (2), o servo-freio amplifica a fora aplicada em aproximadamente 6 vezes ao movimentar a sua haste de sada. J a haste de sada do servo-freio movimenta o mbolo primrio do cilindro mestre (3), figura 37 emprega um modelo de cilindro mestre duplo ou tandem, o cilindro mestre transforma a fora recebida e pressuriza o fluido de freio nas conexes hidrulicas, sendo que parte do fluido de freio enviado diretamente para atuao dos freios a

56

disco (5) na dianteira do veculo e a outra parte enviada para acionamento dos freios a tambor (7) na traseira do veculo. O fluido de freio enviado para os freios a tambor passa pela vlvula de corte (6) que limita a presso no freio traseiro para evitar o travamento dos mesmos.

Porm segundo Gardinalli (2005), a norma alem DIN 74000 prev cinco possibilidades para configurao hidrulicas, designadas como circuitos II, X, HI, LL e HH.

Configurao II: diviso eixo dianteiro / eixo traseiro. Um circuito freia o dianteiro e o

outro o eixo dianteiro, conforme figura 37 acima;

Configurao X: padro de distribuio diagonal. Cada circuito freia uma dada roda

dianteira e a roda traseira diagonalmente oposta;

Configurao HI: diviso eixo dianteiro e eixo traseiro / eixo dianteiro. Um circuito freia

os eixos dianteiros e traseiros, e um circuito freia somente o eixo dianteiro;

Configurao LL: diviso eixo dianteiro e roda traseira / eixo dianteiro e roda traseira. Cada circuito freia o eixo dianteiro e uma roda traseira;

Distribuio HH: diviso eixo dianteiro e eixo traseiro / eixo dianteiro e eixo traseiro.

A figura 38 abaixo exemplifica as configuraes hidrulicas descritas acima.

57

Figura 38 Configuraes hidrulicas tpicas do sistema de freio.


As configuraes HI, LL e HH so crticas, pois como existe a conexo freios individuais aos dois circuitos, em caso de falho o veculo poder ficar sem freios. Porm como visto no captulo 2.2.5, para atender a legislao o sistema de freio deve possuir circuitos duplos e independentes para caso de falha.

Portanto as configuraes II e X so as mais largamente empregadas, e alm disso, envolvem menor quantidade de tubos, juntas, conexes, vedaes estticas ou dinmicas. A configurao II mais adequada aos veculos utilitrios e comerciais leves, pois na eventualidade de uma falha

II

XX

HI

LL

HH

58

num dos circuitos, o eixo traseiro, frequentemente sob ao da carga transportada, dificilmente ir ao bloqueio. J o circuito XX o preferido em veculos de passeio, pois estes so muito mais

suscetveis ao efeito da transferncia dinmica de carga do que os comerciais. Nestes a distribuio em diagonal garantir um mnimo de estabilidade em qualquer situao.

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3 LEGISLAO Sendo o sistema de freio considerado um item de segurana, ou seja, em caso de falha tem potencial de causar acidentes ferindo o usurio, fundamental a definio de requisitos mnimos para aprovao do sistema. Nos Estados Unidos da Amrica o rgo Federal Motor Vehicle Safety Standard utiliza a norma FMVSS 105, para definio do desempenho de frenagem normal e de emergncia. Na Europa a norma utilizada a ECE R13, prescries para homologao de veculos referente a freios.

No Brasil a norma utilizada para homologao do sistema de freio a ABNT NBR 10966, que rege sobre o desempenho de sistema de freio para veculos rodovirios. Porm de acordo com o

CONTRAN resoluo n 777/93 as normas brasileiras so baseadas nos Regulamentos da Comunidade Europeia, ou seja, na ECE R13.

Portanto ao longo deste capitulo ser utilizado como base a ECE R13.

3.1 APLICAO A ECE R13 aplicvel aos seguintes casos:

Veculos de categorias M2, M3, N e O. Para categoria M1 aplicvel o adendo R13H. A Tabela 1 abaixo mostra a classificao dos veculos por categoria.

Tabela 1 Classificao internacional de veculos.

FONTE: Gioria (2008).

Na sequncia esto listados os critrios de aplicabilidade da norma ECE R13:

60

Veculos cuja velocidade mxima ultrapasse 25 Km/h;

Trailers que possam ser acoplados a veculos automotores cuja velocidade mdia ultrapasse 25 Km/h;

Veculos adaptados para condutores invlidos.

3.2 ESPECIFICAES. Segundo a norma ECE R13 (2011), o sistema de freio deve ser projetado, construdo e montado para permitir que um veculo em uso normal, apesar das vibraes s quais poder ser submetido, atenda s especificaes da norma. Deve tambm resistir ao envelhecimento e corroso ao qual exposto.

A efetividade do sistema de freio, incluindo os controles eletrnicos, no deve ser afetada por magnetismo ou campo eltrico. permitido uma falha de deteco de sinal em at 10 ms, contanto que a performance de frenagem no seja afetada.

3.2.1 Sistema de freio de servio

O freio de servio deve possibilitar a diminuio progressiva da velocidade do veculo e faz-lo parar de forma segura, rpida e eficaz, qualquer que seja a velocidade e carga, em uma pista ascendente ou descendente. Deve ser possvel graduar esta ao de frenagem. O condutor deve ser capaz de realizar a ao de frenagem sem sair do seu assento e sem mover as mos do volante da direo.

3.2.2 Sistema de freio de emergncia

O freio de emergncia deve possibilitar a parada do veculo a uma distncia razovel, no caso de falha do freio de servio. Deve ser possvel graduar esta ao de frenagem. O condutor deve ser capaz de realizar esta ao de frenagem sem sair do seu assento, mantendo no mnimo uma das mos no sistema de freio. No deve haver mais de uma falha no freio de servio ao mesmo tempo.

61

3.2.3 Sistema de freio de estacionamento

O freio de estacionamento deve manter o veculo parado em uma pista ascendente ou descendente, mesmo na ausncia do condutor, os elementos que mantm esta ao de frenagem devem ser puramente mecnicos. O condutor dever ser capaz de realizar esta ao de frenagem sem deixar o seu assento.

3.3 TESTES

Conforme ECE R13 (2011) o sistema de freio deve ser submetido a alguns testes para sua validao e confirmao eficcia. Segue abaixo alguns requisitos e testes aplicados para aprovao do sistema.

Requisitos bsicos para aprovao:

1 Distncia de frenagem;

2 Estabilidade do veculo em frenagem.

Testes bsicos para aprovao do sistema freio baseado nos requisitos acima:

1 Teste de frenagem a frio;

2 Teste de frenagem a quente (FADE);

3 Freio de estacionamento.

Requisito especifico para veculos equipados com freios regenerativos:

1 Sistema de frenagem regenerativa.

3.3.1 Requisito Distncia de frenagem.

O teste de distncia de frenagem uma dos mtodos utilizados para se determinar o desempenho do sistema de freio. Basicamente medio da distncia percorrida pelo veculo a partir do momento que o condutor aciona o pedal de freio at o momento que o veculo parar, onde a velocidade inicial no dever ser inferior a 98% da velocidade solicitada pelo teste.

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A mdia de desacelerao deve ser calculada em relao as distncias percorridas entre os intervalos Vb e Ve, de acordo com a formula abaixo:

=!"#!$#

%.'($)")[-

.#] (3.1)

Onde,

dm = mdia de desacelerao em m/s2.

Vo = Velocidade inicial do veculo em Km/h.

Vb = Velocidade do veculo em 0.8 Vo em Km/h.

Ve = Velocidade do veculo em 0.1 Vo em Km/h.

Sb = Distncia percorrida entre Vo e Vb em metros.

Se = Distncia percorrida entre Vo e Ve em metros.

Segue abaixo figura 39 com correlao da velocidade do veculo e distncia de frenagem.

63

Figura 39 Correo entre velocidade do veculo e distncia de frenagem.

FONTE: ISHIHARA (2010).

Para este teste pode-se adotar como resultado a mdia da desacelerao (dm) ou tambm a distncia de frenagem (S), portanto segue abaixo a converso da formula 3.1 para distncia:

=0.0102!3#

)0.0!3 (3.2)

= 0.1056 0.0102!3#

7- [ ] (3.3)

3.3.2 Requisito Estabilidade do veculo em frenagem.

No teste realizado acima so avaliados mais alguns requisitos durante a execuo do teste, como fora aplicada no pedal de freio, correo necessria na direo do veculo, travamento das rodas e estabilidade da frenagem. Portanto segue abaixo os requisitos para os itens mencionados:

Esforo no pedal de 65 ~ 500 N mximo, sem o travamento das rodas.

Velocidade do veculo

Distncia de frenagem

Tempo (Segundos)

Dist

nci

a de

fr

enage

m (m

)

Vel

oci

dade

do

v

ecu

lo (m

/s2)

64

Correo na direo do veculo permitida nas condies abaixo:

1 120 nos primeiros 2 segundos;

2 240 no total at a parada do veiculo. A figura 40 abaixo mostra os critrios abordados acima;

Figura 40 Critrios para correo da direo do veculo durante frenagem.


Travamento das rodas no permitido acima de 15 Km/h;

Veculo deve ser estvel durante a frenagem em uma pista de at 3,5 metros;

1 O ngulo de deslize do veculo deve ser menor que 15. A figura 41 abaixo mostra o ngulo de deslize e a largura da pista em que o veculo deve permanecer durante a frenagem.

Incio da frenagem

Parada do veculo

65

Figura 41 Critrio para aprovao da estabilidade do veculo durante frenagem.


3.3.3 Teste frenagem a frio

Para realizao deste teste os freios devem estar frios, segundo a ECE R13 (2011), os freios so considerados frio quando a temperatura medida no disco ou no lado externo do tambor de freio menor que 100C. O teste de frenagem a frio deve ser feito com o veculo carregado, onde a

distribuio de massa deve ser descrita pelo fabricante, e tambm com veculo descarregado.

Para atendimento do teste os requisitos mnimos descritos acima devem ser atendidos, ou seja, aprovado em distncia de frenagem, mdia de desacelerao (MDFF) e estabilidade na frenagem. Segue abaixo as tabelas 2 e 3 que prescrevem os valores que devero ser atingidos para

aprovao do teste de frenagem a frio.

Incio da frenagem

Parada

15

66

Tabela 2 Requisitos para aprovao do teste de frenagem a frio por categoria sem a

conexo do motor.

FONTE: ECE R13 (2011).

Tabela 3 Requisitos para aprovao do teste de frenagem a frio por categoria com a

conexo do motor.

FONTE: ECE R13 (2011),

3.3.4 Teste frenagem a quente

Segundo a ECE R13 (2011), para execuo do teste de frenagem a quente o sistema de freio deve passar por um procedimento para aquecer o freio, porm para cada categoria o especificado diferente. O procedimento para aquecimento basicamente atingir uma velocidade conhecida,

acionar os freios at reduzir a outra velocidade tambm conhecida, onde esta sequncia deve ser

M1 M2 M3 N1 N2 N3

0.15V + V2/130

Fora aplicada no pedal de

freio.65 at 500 N at 700 N

Categoria

Prescrio de valores e outros critrios (SEM a conexo do motor)

Velocidade Inicial

Vo


S

Mdia de desacelerao

dm

60 Km/h 60 Km/h 80 Km/h 60 Km/h100 km/h

0.1V + 0.0060V2

(70 metros)

6.43 m/s2

5.00 m/s2

60 Km/h

M1 M2 M3 N1 N2 N3

Prescrio de valores e outros critrios (COM conexo do motor)

Categoria

Velocidade Inicial

Vo80% Vmax 160 Km/h

Fora aplicada no pedal de

freio.65 at 500 N at 700 N


S0.1V + 0.0067V

20.15V + V

2/103.5

Mdia de desacelerao

dm 5.76 m/s

2 4.00 m/s

2

100 Km/h 90 Km/h 120 Km/h 100 Km/h 90 Km/h

80% de Vmax, mas sem exceder a velocidade acima.

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feita algumas vezes e com um tempo determinado entre o termino de uma sequncia e incio de outra.

A tabela 4 abaixo determina os valores do procedimento de aquecimento para cada categoria de veculo.

Tabela 4 Procedimento para aquecimento do sistema de freio.

FONTE: ECE R13 (2011),.

Aps aquecimento atravs do procedimento descrito acima o sistema de freio dever ser avaliado

atravs dos mesmos itens do teste de frenagem a frio, ou seja, aprovado em distncia de frenagem, mdia de desacelerao e estabilidade na frenagem. A tabela 5 na sequncia mostra os valores para o teste de frenagem a quente.

Tabela 5 Requisitos para aprovao do teste de frenagem a quente por categoria.


Procedimento para aquecimento dos freios

M3, N2 e N3 80% Vmax 60 1/2 V1 65 20

N1 80% Vmax 120 1/2 V1 55 15

M2 80% Vmax 100 1/2 V1 55 15

M1 120 60 45 20

Categoria dos veculos.V1: velocidade inicial

(km/h).

V2: velocidade final

(km/h).

Intervalo entre

sequncias (s).

Nmero de

repeties (n).

M1 M2 M3 N1 N2 N3

60% do resultado de

performance do teste a frio.

Prescrio de valores e outros critrios - Teste de frenagem a quente

Categoria

Velocidade Inicial

Vo100 Km/h 60 Km/h 60 Km/h 80 Km/h 60 Km/h 60 Km/h

Fora aplicada no pedal de freio. 65 at 500 N at 700 N

75% do valores do teste a frio.

0.1 + 0.0080V2

(90 m)

80% do valores do teste a frio

60% do resultado de performance do teste a frio.


S

Mdia de desacelerao

dm 4.82 m/s

2 5.00 m/s

2

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Alm dos testes acima para os veculos de categoria M2, M3, N1, N2 e N3 so solicitados a um teste chamado de rodagem livre, onde aps a temperatura dos freios cair deve-se avaliar durante

a rodagem se os freios esto livres e tambm os mesmos no devem exceder a tempera de 80C em uma velocidade de 60 Km/h.

3.3.5 Teste freios de estacionamento

O sistema de freio de estacionamento deve sempre ser combinado com outro sistema de freio, segundo a ECE R13 (2011), o freio de estacionamento deve ser capaz de manter um veculo carregado de categoria M1 esttico em uma inclinao de 20%. Os veculos de categoria M2, M3, N1, N2 e N3 devem seguir o mesmo critrio, porm em uma inclinao de 18%.

No veculo de classe M1 se o freio de estacionamento for manual a fora de aplicao na alavanca de freio deve ser menor que 400 N e caso for por pedal a fora deve ser menor que 500 N. Os veculos de categoria M2, M3, N1, N2 e N3 possuem o mesmo critrio, porm com acionamento manual de at 600 N e por pedal de at 700 N. A figura 42 na sequncia mostra os requisitos citados acima.

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Figura 42 Teste de freio de estacionamento esttico


Outro teste para freio de estacionamento o teste dinmico, onde o veculo dever manter o motor desligado e uma velocidade inicial de 30 Km/h. Aps atingir a velocidade inicial o freio de estacionamento acionado e o mesmo dever atender a uma mdia de desacelerao antes do veculo parar completamente. A tabela 6 abaixo mostra os valores para cada categoria de veculo.

Tabela 6 Requisitos do teste dinmico de freio de estacionamento.


Veculo carregado - Categoria M1

Veculo carregado - Categoria M2, M3, N1, N2 e N3

M1 M2 M3 N1 N2 N3

Mdia de desacelerao

dm

Fora aplicadaFora alavanca < 400 N

Fora pedal < 500 N

Fora alavanca < 600 N

Fora pedal < 700 N

30 Km/h

1.5 m/s2

Categoria

Velocidade Inicial

Vo

Prescrio de valores - Teste dinmico de freio de estacionamento.

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3.3.6 Requisito frenagem regenerativa

Segundo a norma ECE R13 (2011) no existe um teste especifico para os veculos hbridos ou eltricos equipados com sistema de frenagem regenerativa, porm existem alguns requisitos necessrios para o sistema atingir.

O principal requisito que durante a frenagem a zona de transio entre a frenagem regenerativa e a frenagem convencional, ou hidrulica, seja suave. Outro item que solicitado para os veculos equipados com esta tecnologia que o mesmo seja testado em condies de falhas, onde o sistema dever ser aprovado em vrias condies de falhas.

Durante a execuo dos testes citados acima, teste de frenagem a frio e a quente, o sistema de frenagem regenerativa no dever auxiliar o sistema de freio convencional. A norma cita para os veculos que no tem possibilidade de desativar o sistema, que o mesmo esteja com o nvel de carga mxima da bateria durante os testes.

71

4 FRENAGEM REGENERATIVA

Segundo Ehsani (2005), umas das caractersticas mais importantes dos veculos eltricos e veculos hbridos a sua capacidade em recuperar energia durante a frenagem. Os motores eltricos dos EVs (Electric Vehicle Veculo Eltrico) e HEVs (Hybrid Electric Vehicles Veculo Eltrico Hibrido) podem ser controlados para operarem como geradores para converter energia cintica em energia eltrica que pode ser armazenada na bateria e reutilizada. Esse modo de recuperar energia chamado de frenagem regenerativa.

Segundo Ehsani (2005), normalmente o torque de frenagem solicitado muito maior que o torque que um motor eltrico pode proporcionar. Portanto nos EVs e HEVs, sistemas de freios

mecnicos a frico devem existir juntos com o sistema de frenagem regenerativa eltrico. Assim o correto dimensionamento e controle de ambos sistemas de frenagem mecnico e eltrico so as principais preocupaes.

4.1 ARQUITETURA DOS VECULOS ELTRICOS HBRIDOS Conforme Ehsani (2005), veculos com motor de combusto interna tem um boa performance e um bom tempo funcionamento utilizando as vantagens do combustvel proveniente do petrleo. Entretanto, o motor de combusto interna apresentam algumas desvantagens como a baixa economia de combustvel que esta ligado a baixa eficincia do motor e a dissipao da energia cintica durante a frenagem, principalmente quando operado em reas urbanas. J os veculos eltricos possuem algumas vantagens sobre os veculos com motor de combusto interna, como

por exemplo, a alta eficincia energtica e o ndice zero de emisso de poluentes ao meio ambiente. Porm, o desempenho, principalmente a autonomia de operao por carga de bateria,

muito menor se comparado com o motor de combusto interna.

Segundo Santos (2009), um veculo hbrido aquele que opera com mais de um motor, com diferentes tipos de alimentao. Sendo que um EV pode aumentar significativamente a sua autonomia atravs de uma fonte de energia adicional, associado a motor de combusto interna a

um grupo de gerador. Este tipo de carro chamado de Veculo Eltrico Hbrido. Portanto o HEV tem as vantagens do veculo com motor de combusto interna e do veculo eltrico, superando assim as desvantagens citadas acima.

72

A arquitetura dos HEVs pode ser basicamente definida como a conexo os componentes que define o fluxo de energia e as portas de controle. Os HEVs so classificados em 4 grupos: hbrido em srie, hbrido em paralelo, hbrido srie paralelo e hbrido complexo. As figuras 43, 44, 45 e 46 na sequncia mostraram as arquiteturas citadas acima.

Figura 43 Arquitetura hbrido em srie

FONTE: Ehsani (2005)

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Figura 44 Arquitetura hbrido em paralelo


Figura 45 Arquitetura hbrido em srie paralelo


74

Figura 46 Arquitetura hbrido complexo


Nos exemplos acima o motor IC (combusto interna) e o motor eltrico foram tratados como fonte de energia primria e fonte de energia secundria, respectivamente. Porm o motor de combusto interna pode ser trocado por outra fonte de energia ou a bateria trocada por ultra capacitor.

4.1.1 Hbrido em srie

O HEV equipado com um sistema de propulso em srie aquele onde duas fontes de energia alimentam um nico motor, motor eltrico, que impulsiona o veculo. Segundo Ehsani (2005), o modelo hbrido em srie mais encontrado mostrado na Figura 47 na sequncia.

75

Figura 47 Configurao mais utilizada no Hbrido em srie.


Nesta configurao de hbrido em srie temos uma fonte de energia unidirecional que tanque de combustvel e o conversor desta energia que o motor de combusto interna acoplado a gerador eltrico, conforme comentado anteriormente o motor a combusto interna poderia ser substitudo por outra fonte de energia. A sada do gerador eltrico conectado a um barramento de energia eltrica atravs de um conversor eletrnico, neste caso um retificador. A fonte de energia bidirecional uma bateria eletroqumica, conectada ao barramento por um conversor eletrnico de potncia, conversor DC/DC. O barramento de energia tambm conectado ao

controlado do motor eltrico. O motor eltrico pode ser controlado como um motor ou como um gerador, movimentos para frente ou reversos. Esta configurao precisa de um recarregador de

bateria para recarregar a bateria atravs de uma rede de energia eltrica convencional, portanto esta configurao de um veculo Plug in (ver pgina 22).

Conforme Ehsani (2005), os HEVs em srie tm potencialmente os seguintes modos de operao abaixo:

Trao

Recarga da bateria

Combustvel

Motor IC Gera-dor

Retifi-cador

Bateria

Controla-dor Motor

Motoreltrico

Recar-regador Bateria

Velocidade

To

rqu

e

Fo

ra

tra

tiv

a

Velocidade do

veculo

Dife-rencial

76

Modo puramente eltrico: o motor desligado e a propulso do veculo dada somente atravs das baterias;

Modo puramente a motor: A fonte de trao do veculo vinda somente do motor a combusto e gerador, enquanto a bateria nem fornece ou recebe. A mquina eltrica serve como transmisso do motor a combusto para as rodas do veculo;

Modo hbrido: A fonte de trao recebida das baterias e do motor com gerador;

Modo de trao pelo motor e recarga da bateria: O motor com o gerador fornece energia

para propulso do veculo e tambm para carregar a bateria;

Modo de frenagem regenerativa: O motor com gerador desligado e o motor eltrico

operador como um gerador. A energia gerada utilizada para carregar a bateria;

Modo de recarga da bateria: O motor eltrico no recebe energia e o motor com o gerador

carregam a bateria;

Modo hbrido de carregamento da bateria: Ambos motor com o gerador e o motor eltrico operam como geradores para carregar a bateria.

Os HEVs em srie tambm oferecem muitas vantagens que podem ser observadas na sequncia:

O motor de combusto interna completamente mecnico quando desacoplado do sistema. Portanto ele pode ser operado em qualquer ponto do mapa de caracterstica potncia x torque, podendo ser operado somente na regio de mxima eficincia. Na sequncia a figura 48 mostra o mapa de potncia x velocidade de um motor de combusto interna;

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Figura 48 Mapa de potncia x velocidade de um motor de combusto interna


O parmetro mais utilizado para medio de consumo no motor de combusto interna o bsfc (Brake specific fuel consumption), onde segundo o sistema internacional de unidades dado pelo numero de grama de combustvel consumida pela potncia de sada por hora, ou seja g/kWh. Obviamente que os menores valores de bsfc so os mais desejados, sendo que tipicamente os melhores resultados de bsfc do motor a combusto interna esto entre 250 a 270 g/kWh.

A eficincia e as emisses do motor podem ser melhorados nesta estreita regio, portanto esta pequena regio possibilita grandes melhorias para o uso do motor a combusto interna como menor consumo e melhoria nas emisses.

Potncia com acelerador

completamente aberto

bsfc (g/kWh)

(Eficincia)

Po

tn

Documents

bom-c-teroria-_estudo-das-principais-vantagens-do-uso-da-frenagem-regenerativa (1).pdf