Kit-didatico Freio

5/20/2018 Kit-didatico Freio

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CENTRO PAULA SOUZAFATEC - SANTO ANDR

Nouriandres Librio SilvaRoberto Alexandre Plaa

KIT DIDTICO DE SIMULAO DOSISTEMA DE FREIOS ABS

Santo AndrSo Paulo2011


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Nouriandres Librio SilvaRoberto Alexandre Plaa

KIT DIDTICO DE SIMULAO DOSISTEMA DE FREIOS ABS

Trabalho de Concluso de Curso apresentado aFATEC Santo Andr como requisito parcial paraobteno do ttulo de tecnlogo.

Orientador: Prof.Dr. Fabio DelatoreCo Orientador: Prof. Dr. Dirceu Fernandes

Santo AndrSo Paulo2011


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Librio / NouriandresPlaa / Roberto

Kit didtico de simulao do ABS / Librio2011

Plaa201187p.

Ensino SuperiorFatec Santo Andr

Assunto ABS.

Kit didtico de simulao do ABS


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5/87

A todas as pessoas que acreditaram e

nos ajudaram at o termino deste

trabalho.


6/87

AGRADECIMENTOS

A nossas famlias por nos incentivarem a sempre seguir em frente independente do

que ocorrer.


7/87

Navegar preciso viver no

preciso

Fernando Pessoa.


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RESUMO

Um dos principais sistemas de segurana nos veculos so os sistemas de freios, que

surgiram com o objetivo de desacelerar parcial ou totalmente um veculo em movimento

conforme as condies de trfego, requisitos tcnicos e legais. Diversos tipos de freios foram

desenvolvidos entre os quais se tem os freios a tambor e os freios a disco. Durante a freagem

pode ocorrer o travamento das rodas, o que prejudica o desempenho e a estabilidade pois

aumenta a distncia de freagem e causa a perda de dirigibilidade do veculo. Para evitar a

ocorrncia do travamento das rodas na freagem foram desenvolvidos sistemas automticos

onde destaca-se os freios ABS (Antilock Brake System). O sistema de freios ABS tem como

objetivo manter a estabilidade direcional do veculo e otimizar o desempenho na freagem. Os

benefcios proporcionados por esse sistema esto descritos no contexto deste trabalho. O

objetivo deste trabalho desenvolver um kit didtico de simulao do sistema de freios ABS,

atravs de uma lgica de controle. Esse kit pode ajudar os interessados no assunto a

compreender o funcionamento do sistema ABS sem a necessidade da presena do veculo. O

mtodo utilizado o desenvolvimento de uma lgica de controle que simula uma condio

especfica de operao do veculo com o uso dos kits de controle disponveis na Fatec Santo

Andr. Os testes e anlise dos resultados foram feitos com o auxilio da ferramenta

computacional Labview. Espera-se ao concluir este trabalho, que sejam obtidos resultados

similares na simulao aos obtidos nos testes reais com o veculo em condies

representativas de atuao do sistema de freio ABS.

Palavraschave: Veculos, Freios, Segurana, ABS, kit educacional.


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ABSTRACT

One of the main safety systems in vehicles are brake systems, which arisen for

decelerate partially or totally a vehicle moving according to traffic conditions and technical

and legal requirements. Sundry types of brakes have been developed among which are drum

brakes and disc brakes. Can occur locking during braking wheel, which disrupts the

performance and stability because it increases the stopping distance and causes loss of

drivability of the vehicle. To avoid locking the wheels on brake systems have been developedautomatic systems called ABS (Antilock Brake System). The ABS system aims to maintain

directional stability of the vehicle and optimize performance in braking. The benefits provided

by this system are described in the context of this work. The objective of this work is to

develop an educational kit simulation ABS brake system through control logic. This kit can

help those interested in the subject to understand the functioning of the ABS system without

the presence of the vehicle. The method used is the development of a control logic that

simulates a specific condition of operation of the vehicle with the use of kits available control

Fatec St. Andre. Tests and analysis of results were done with the help of Lab view software

tool. It is hoped when complete this work obtaining similar results to those achieved by other

work done and those obtained in actual tests with the vehicle under representative conditions

of operation of the ABS brake system.

Keywords: Vehicles, brake, safety, ABS, educational kit.


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LISTA DE ILUSTRAES

Figura 1 Sistema de freio convencional de um automvel de passeio.. ................................... 19

Figura 2 Servo freio, vista em corte.. ....................................................................................... 21

Figura 3 Cilindro mestre e reservatrio do fluido de freio.. ..................................................... 22

Figura 4 Componentes do freio a disco.. .................................................................................. 23

Figura 5 Freio a tambor e seus principais componentes.. ......................................................... 25

Figura 6 Diagrama de blocos de um sistema de freio ABS. ..................................................... 27

Figura 7 Situao de freagem normal.. ..................................................................................... 28

Figura 8 Atuao do sistema ABS em presso constante. ........................................................ 28

Figura 9 Atuao do sistema ABS em reduo de presso. ..................................................... 29

Figura 10 Fechamento do ciclo de atuao do sistema ABS.. .................................................. 30

Figura 11 Zona de atuao do sistema ABS.. ........................................................................... 31

Figura 12 Velocidade angular x controle da presso aplicada no circuito hidrulico. ............. 32

Figura 13 Funcionamento do sistema ABS nas quatro rodas do veculo.. ............................... 33

Figura 14 Funcionamento do sistema ABS em dois eixos.. ..................................................... 34

Figura 15 Conjunto servomecnico. ......................................................................................... 36

Figura 16 Conjunto sinal de referncia..................................................................................... 37

Figura 17 Conjunto controlador. .............................................................................................. 38

Figura 18 Circuito Somador. .................................................................................................... 39

Figura 19 Circuito comparador Mdia1. .................................................................................. 41

Figura 20 Circuito comparador Mdia 2. ................................................................................. 41

Figura 21 Fluxograma principal da programao utilizada. ..................................................... 43


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Figura 22 Cdigo do programa valor mdio e ao de presso constante. .............................. 45

Figura 23 Valor mdio e ao de reduo de presso. ............................................................. 46

Figura 24 Diagrama do sistema de controle em malha fechada. .............................................. 47

Figura 25 Diagrama de blocos do conjunto montado. .............................................................. 48

Figura 26 Conjunto montado para realizao dos experimentos. ............................................. 48

Figura 27 Representao ABS emLabview. ............................................................................ 50

Figura 28 Ao de presso constante em uma roda.................................................................. 51

Figura 29 Ao de presso constante em duas rodas................................................................ 52

Figura 30 Ao de reduo de presso na roda esquerda. ........................................................ 53

Figura 31 Ao de reduo de presso na roda direita. ............................................................ 53

Figura 32 Representao dos grficos da simulao do sistema ABS em malha fechada. ...... 54

Figura 33 Indicao de veculo parado. .................................................................................... 55

Figura 34 2 ensaio. .................................................................................................................. 57

Figura 35 3 Ensaio. .................................................................................................................. 57

Figura 36 4 Ensaio. .................................................................................................................. 58

Figura 37 5 Ensaio. .................................................................................................................. 59

Figura 38 6 Ensaio. .................................................................................................................. 59

Figura 39 Sistema ABS utilizando controle por modos deslizantes.. ....................................... 60

Figura 40 Resultado da simulao do sistema ABS. ................................................................ 61


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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Caractersticas comparativas dos calipers fixo e caliper flutuante.. .......................... 24

Tabela 2 Componentes e funes do conjunto servomecnico. ............................................... 36

Tabela 3 Resultado das aplicaes do freio magntico. ........................................................... 42

Tabela 4 Atuao do freio ABS. ............................................................................................... 42


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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABS -Antilock Braking System.

AO Amplificador operacional.

ASRAnti skid regulator.

CcoCruise control.

CONTRANConselho Nacional de Transito.

ECUEletrnic Control Unit.

EBSEletronic brake system.

ESPEletronic stability program.

FsaidaFora de sada.

FentradaFora de entrada.

Vref Valor referncia.

Vr1Valor referncia1.

Vr2Valor referncia2.

VrABS1Valor de referncia para ABS presso constante.

VrABS2Valor de referncia para ABS reduo de presso.

Vtacovelocidade do tacogerador.

Sv1Sensor de velocidade da roda direita.

Sv2Sensor de velocidade da roda esquerda.

UceUnidade de controle eletrnico.

-splitAderncia da pista com atrito alto e baixo de cada lado.


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LISTA DE SIMBOLOS

C* - Fator de freio.

Escorregamento.


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SUMRIO

1. INTRODUO .................................................................................................................. 17

1.1 ESTRUTURA DO TRABALHO ....................................................................................... 18

1.2 OBJETIVOS ....................................................................................................................... 181.2.1 Motivao ........................................................................................................................ 18

2. CONCEITOS TEORICOS ................................................................................................ 192.1 FENMENO FSICO DA FREAGEM ............................................................................. 19

2.2 SISTEMA DE FREIO HIDRULICO .............................................................................. 192.2.1 Pedal do freio ................................................................................................................... 202.2.2 Servo freio ....................................................................................................................... 202.2.3 Cilindro mestre e conexes ............................................................................................. 212.2.4 Freio a disco .................................................................................................................... 222.2.5 Freio a tambor .................................................................................................................. 24

2.3 SISTEMA DE FREIO ABS ............................................................................................... 25

2.3.1 Principais componentes do sistema ABS ........................................................................ 262.3.2 Funcionamento do sistema de freio ABS ........................................................................ 26

2.3.3 Fases do ciclo de operao do sistema ABS.................................................................... 282.3.4 Conceitos bsicos do ciclo de controle. ........................................................................... 30

3. METODOLOGIA ............................................................................................................... 353.1 MATERIAIS ...................................................................................................................... 35

3.2 MTODO. .......................................................................................................................... 39

3.2.1 Primeira etapa: Circuito analgico. ................................................................................. 393.2.2 Representao da ao de presso constante ................................................................... 40

3.2.3 Representao da ao de reduo de presso................................................................. 41

3.3 SEGUNDA ETAPA: REPRESENTAO GRFICA DO SISTEMA ABS ATRAVSDA FERRAMENTA COMPUTACIONALLABVIEW........................................................... 423.3.1 Representao da ao de presso constante. .................................................................. 44

3.3.2 Representao da reduo de presso. ............................................................................. 45

3.4 TERCEIRA ETAPA: APLICAO PRTICA DO SISTEMA DE CONTROLE NO KITLJ. ............................................................................................................................................. 46

4. RESULTADOS E ANLISE DOS RESULTADOS. ...................................................... 504.1 RESULTADOS TERICOS. ............................................................................................. 504.1.1 Painel de simulao da presso constante. ...................................................................... 51

4.1.2 Painel de simulao de reduo de presso. .................................................................... 52

4.2 RESULTADOS PRTICOS .............................................................................................. 554.2.1 1 Ensaio: Influncia do freio magntico na velocidade do motor. ................................. 56


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4.2.2 2 Ensaio: Aplicao do primeiro estgio do freio magntico em intervalos de 1s emmalha fechada. .......................................................................................................................... 564.2.3 3 Ensaio: Aplicao do segundo estgio do freio magntico em intervalos de 1s emmalha fechada. .......................................................................................................................... 57

4.2.4 4 Ensaio: Aplicao do primeiro estgio do freio magntico em malha aberta. ............ 584.2.5 5 Ensaio: Aplicao do segundo estgio do freio magntico em malha aberta. ............ 58

4.2.6 6 Ensaio: Sem aplicao do freio magntico e sem controle. ........................................ 59

4.3 ANLISE DOS RESULTADOS ....................................................................................... 60

5. CONCLUSO ..................................................................................................................... 63

5.1 PROPOSTAS DE TRABALHOS FUTUROS ................................................................... 63

BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................... 64

APNDICE A. ........................................................................................................................ 66

ANEXO A. ............................................................................................................................... 67


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1. INTRODUO

Desde a concepo do primeiro automvel, diversos sistemas de segurana vm sendo

desenvolvidos visando preservar a vida de seus ocupantes, a fim de evitar a ocorrncia de

acidentes e reduzir os danos sofridos nos ocupantes dos veculos. Os sistemas de segurana

dividem-se em ativos e passivos.

Compreende-se como segurana passiva os sistemas desenvolvidos com o objetivo de

salvar a vida dos ocupantes aps a ocorrncia de acidente ou de minimizar os danos nos

ocupantes como por exemplo o cinto de segurana e o air bag.

Entende-se como segurana ativa os sistemas que evitam a ocorrncia de acidentes

como: o controle de trao ASR (Ant Skid Regulator), o controle de estabilidade ESP

(Eletrnic Stability Program), o controle de velocidade de cruzeiro CCO (Cruise control), os

sistemas de anti-bloqueio dos freios ABS (AntiLock Brake System) e o sistema de freio

eletrnico EBS (Eletrnic Brake System).

A finalidade dos sistemas de freios proporcionar uma ao de freagem segura e

confortvel, conforme solicitao do motorista, condies de trafego e requisitos requeridos

pelo fabricante e pela legislao.

A origem do sistema de freio nos automveis ocorreu aps o primeiro acidente

automobilstico que se tem notcia, quando o inventor francs Nicholas Cugnot desenvolveu,

por volta do ano 1700, um veculo que pesava quase 10 toneladas, movido por uma caldeira a

vapor. O veculo seria usado para carregar as peas de artilharia em sua viagem inaugural,

porm seu inventor descobriu que no havia pensado em como par-lo. Assim ocorreu o

primeiro acidente automobilstico que se tem notcia, dado que o pesado carro derrubou um

muro (MALUF et al, 2007).

Durante muitos anos os sistemas de freio de roda foram compostos por mecanismoscapazes de travar as rodas ao serem acionados, o veculo continuava arrastando-se por uma

distncia consideravelmente longa at que o atrito entre o pneu e o solo fosse suficiente para

parar totalmente o conjunto.

Para que fosse possvel uma desacelerao rpida em um menor espao possvel foram

desenvolvidos freios automticos, que auxiliam na ao de freagem, entre os quais esto os

freios eletrnicos EBS (Eletronic brake system) e o sistema de freio com controle

antitravamento das rodas denominado ABS (Antilock brake systems), que o objeto de estudodeste trabalho e item obrigatrio nos veculos comercializados em pases desenvolvidos.


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No Brasil, segundo as normas legislativas o sistema de freio ABS tornar-se- item

obrigatrio em todos os automveis produzidos a partir de 2014 (CONTRAN, N. 312).

Este trabalho trata do desebvolvimento de um kit didtico de simulao do sistema de

freio ABS realizado atravs de uma lgica de controle, tal kit pode ajudar no entendimento

sobre o funcionamento do sistema ABS sem a presena do veculo.

1.1 Estrutura do trabalho

Este trabalho est organizado da seguinte forma: o captulo 2 discorre sobre uma

reviso bibliogrfica sobre o funcionamento terico dos principais sistemas de freio e do

sistema ABS; o captulo 3 trata dos mtodos utilizados para o desenvolvimento da ferramentadidtica; no captulo 4 encontram-se os ensaios executados e os resultados obtidos, no

captulo 5 tem-se as concluses obtidas dos resultados e a proposta para novos estudos e

desafios.

1.2 Objetivos

Este trabalho tem o objetivo de desenvolver um kit didtico de simulao do sistema

de freio ABS atravs da aplicao de uma lgica de controle.

1.2.1 Motivao

A principal motivao a oportunidade de desenvolver uma ferramenta didtica que

auxilie a compreender o funcionamento do sistema de freio ABS, sem a necessidade da

presena fsica do sistema ABS em um automvel para visualizar as condies operacionais

deste sistema.Outra motivao para o desenvolvimento deste trabalho a oportunidade de estudar

um sistema de grande importncia para a segurana veicular no Brasil, que pode contribuir

efetivamente na reduo de acidentes e na preservao de vidas.

Alm disso, por exigncias legais nacionais vai ser item obrigatrio em todos os

automveis vendidos a partir de 2014. (CONTRAM N 312).


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2. CONCEITOS TEORICOS

2.1 Fenmeno fsico da freagem

A freagem no conceito fsico, a transformao da energia cintica e / ou potencial em

energia trmica na forma de calor e energia acstica na forma de rudo, atravs do atrito das

superfcies de freagem, ou seja, o atrito das lonas com o tambor e o atrito das pastilhas de

freio com o disco.

Na freagem ocorre a dissipao da energia trmica nos freios por conduo, por

conveco e por radiao. (FERNANDES, 1994).

2.2 Sistema de freio hidrulico

O sistema de freio hidrulico comumente aplicado em quase totalidade dos

automveis de passeio. A sequncia de freagem iniciada atravs aplicao de uma fora

muscular no pedal de freio que transformada em presso hidrulica pelo conjunto servo-

freio / cilindro mestre, que por consequncia aciona os freios de roda (HIROAKI, 2005).

Figura 1 Sistema de freio convencional de um automvel de passeio. (BAUER, 2003).

Conforme BAUER (2003) temos os principais componentes de um sistema de freio

hidrulico comumente utilizado nos automveis de passeio que esto ilustrados na Figura 1,


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se tem: (1) freio a disco dianteiro; (2) flexvel de freio; (3) conexo hidrulica; (4) tubo de

freio; (5) cilindro mestre; (6) reservatrio; (7) servo- freio; (8) pedal de acionamento do freio;

(9) alavanca de freio de estacionamento; (10) cabo do freio de estacionamento; (11) vlvula

reguladora sensvel a carga; (12) freio a tambor traseiro. Alguns destes componentes sero

descritos em tpicos a seguir.

2.2.1 Pedal do freio

a interface entre o sistema de freio de servio e o usurio sendo que utiliza o

princpio da alavanca como o primeiro multiplicador de foras desse sistema. constitudo

por uma pedaleira com um ponto fixo e uma haste que aciona os freios quando o pedal

acionado (RIOS, 2009). A relao de pedal importante para obteno da fora de freagem e

para a sensibilidade do motorista, alm disso a posio e a relao de pedal so influenciados

por aspectos ergonmicos.

2.2.2 Servo freio

Popularmente conhecido de hidrovcuo, o servo freio um importante multiplicador

de fora para a ao de frear. Trata-se de um boosterque possui duas cmaras internamentedivididas por uma membrana que, de um lado tem ar sob presso atmosfrica e do outro lado

tem a depresso de vcuo gerada no coletor de admisso do motor ou por uma bomba de

vcuo. Essa diferena de presso no boosterajuda a diminuir o esforo do condutor, pois gera

uma fora adicional para acionamento do cilindro mestre que proporcional a rea da

membrana e ao nvel de vcuo. A Figura 2 demonstra uma vista em corte do servo freio e seus

principais componentes (BOSH, 2005).


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Figura 2 Servo freio, vista em corte. (BOSCH, 2005).

2.2.3 Cilindro mestre e conexes

O cilindro mestre composto por duas cmaras independentes de presso que formamos circuitos primrio e secundrio do sistema de freio. (RIOS, 2009).

MULLER (2009) afirma que a funo do cilindro mestre converter a fora exercida

no pedal do freio em presso hidrulica no fluido de freio. Esta presso hidrulica

distribuda pelas linhas de freio e servem para acionar os freios nas rodas.

As conexes so feitas atravs de tubos rgidos de lato nas partes fixas e mangueiras

flexveis de borracha nas partes mveis prximas s rodas. A Figura 3 mostra o conjunto

cilindro mestre e o reservatrio do fluido de freio bem como seus principais componentes(ENCICLOPEDIA MECNICA DO AUTOMOVEL, 1988).


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Figura 3 Cilindro mestre e reservatrio do fluido de freio. (ENCICLOPEDIA MECNICA DOAUTOMVEL, 1988).

2.2.4 Freio a disco

Consiste de um freio de roda, cujo princpio de atuao da aplicao de uma fora

axial das pastilhas sobre as superfcies laterais externas do disco que est solidrio a roda em

rotao (FERNANDES, 1994).De acordo com BOSCH (2005), o freio a disco pode ser do tipo pina fixa (caliper

fixo) ou do tipo pina flutuante (caliper flutuante), os freios a disco so compostos por

pastilhas de freio, pistes, discos de freio e suporte. Estes componentes so mostrados na

Figura 4 para os freios a disco com pina fixa e pina flutuante (BOSCH, 2005).


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Figura 4 Componentes do freio a disco. (BOSCH, 2005).

A pina fixa envolve o disco de freio com uma carcaa rgida e durante a freagem os

pistes com posies opostas exercem presso nas pastilhas que so movidas contra a

superfcie do disco de freio de forma independente de cada lado (ver Figura 4. a). Na pina decaliper flutuante, o pisto exerce presso somente na pastilha de freio interna que movida

contra a superfcie do disco de freio sendo que a pastilha externa puxada contra o disco de

freio atravs da reao da ponte flutuante que est interligada por guias deslizantes (ver

Figura 4. b).

As vantagens da pina de ponte flutuante em relao s pinas fixas, que requerem

relativamente menor espao para instalao do freio a disco, tem menor peso e custos

reduzidos.Em relao s desvantagens, as pinas de ponte flutuantes podem apresentar maiores

rudos, desgaste irregular nas pastilhas de freio e corroso dos elementos de guia.

A Tabela 1 traz um comparativo entre as principais caractersticas dos sistemas de

freio a disco com pina fixa e com pina de ponte flutuante, no que se refere a tamanho, peso,

rigidez, rudo, custo entre outros fatores.


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Tabela 1 Caractersticas comparativas dos calipers fixo e caliper flutuante. (BLANCO, 2008, et all).

2.2.5 Freio a tambor

O sistema de freio a tambor muito utilizado nos veculos comerciais e nas rodas

traseiras dos veculos de passeio. composto basicamente por sapatas de freio (onde so

fixadas as lonas), suporte, por cilindro de roda, tambor de freio e outros componentes.

A atuao do freio a tambor ocorre atravs da compresso radial das lonas sobre a

superfcie interna do tambor que est solidrio roda em rotao. (FERNANDES, 1994).A vantagem de se utilizar freio a tambor consiste na maior capacidade de frenagem

com a mesma presso, maior facilidade de instalao do freio de estacionamento e maior

proteo contra a contaminao (FERNANDES, 1994), contudo esses sistemas apresentam

uma no linearidade entre o torque de freio e o coeficiente de atrito, onde pequenas variaes

de atrito podem causar grandes variaes no torque de freagem. Os freios a tambor tambm

possuem uma menor faixa da temperatura de trabalho se comparado com os freios a disco e

maior suscetibilidade aofading (fadiga trmica dos freios).Para determinar as vantagens e desvantagens entre freios a disco e freios a tambor

foram desenvolvidos estudos referentes ao fator de freio (C*) que significa o ganho do


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sistema de freios, ou seja, a relao entre a fora de sada e a fora de entrada do sistema de

freios. Para um mesmo coeficiente de atrito, o freio a tambor gera um maior torque de

frenagem para um mesmo esforo de aplicao, porm o fator de freio de um freio a tambor

em geral deteriora-se com o aumento da velocidade muito mais que um freio a disco

(MLLER, 2009).

A Figura 5 mostra um sistema de freio a tambor hidrulico e seus principais

componentes. (ENCICLOPEDIA MECNICA DO AUTOMVEL, 1998).

Figura 5 Freio a tambor e seus principais componentes. (ENCICLOPEDIA MECNICA DO

AUTOMVEL, 1988).

De acordo com a enumerao dos componentes da Figura 5, so identificados os

seguintes componentes: (1) sapatas com as lonas; (2) molas de retorno; (3) cilindro de roda;

(4) pontos de fixao das sapatas; (5) articulao das sapatas; (6) prato porta lonas ou de

ancoragem; (7) tambor de freio.

2.3 Sistema de freio ABS


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Os freios devem satisfazer severos requisitos como distncias de parada, tempo de

resposta, desacelerao e entre outros. Estes requisitos so satisfeitos por ambos os tipos de

freio com ou sem ABS (GIORIA, 2008 apud BOSCH, 1995).

O sistema ABS (AntiLock Brake System) surgiu no incio do sculo XX, no setor de

transporte ferrovirio. Depois foi a vez de a indstria aeronutica adotar o sistema e j na

dcada de 70 alguns veculos especiais e inovadores j utilizavam ABS. (WILSON, 2007).

Segundo GIORIA (2008), o ABS um sistema suplementar ao sistema de freio de

servio normal, que impede o travamento das rodas nas freagens de emergncia, garantindo a

estabilidade e a dirigibilidade do veculo sendo que tambm otimiza o desempenho com a

reduo da distncia de parada em relao ao sistema de freio convencional.

A estabilidade direcional conseguida atravs do controle da velocidade das rodas e

da aplicao dos freios, sendo que quando as rodas no travam durante a freagem a

estabilidade direcional est garantida. Com a atuao do ABS as rodas esto na iminncia do

travamento durante a freagem, logo a mxima aderncia disponvel entre pneu e pavimento

utilizada, resultando na obteno da mxima desacelerao e do menor espao percorrido na

freagem (FERNANDES, 1994).

2.3.1 Principais componentes do sistema ABS

LIMA (2005), destacou os seguintes componentes como principais dos sistemas ABS:

1- Sensores das rodas: geralmente so componentes eletromagnticos que fornecem

um sinal pulsante com uma frequncia proporcional velocidade da roda.

2- Unidade de controle eletrnico (UCE): dispositivo eletrnico responsvel por

receber os sinais dos sensores e pelos clculos para gerao de sinal de controle de velocidade

das rodas, atravs de sinais enviados para os moduladores.

3- Modulador de presso de freio: dispositivo eletro hidrulico ou eletro pneumtico

utilizado para reduzir, manter e armazenar presso nos freios de roda, independente do

esforo aplicado pelo motorista no pedal e conforme os sinais de controle recebidos da UCE.

2.3.2 Funcionamento do sistema de freio ABS


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O movimento de rotao das rodas captado por um sensor atravs de uma roda

dentada que se move solidria ao cubo de roda.

Os sinais so filtrados e convertidos em informaes digitais e processados pela UCE,

que calcula a velocidade do veculo (velocidade de referncia). Alm disso, a UCE calcula o

escorregamento das rodas atravs da comparao entre a velocidade do veculo e velocidade

das rodas e caso necessrio, envia sinal para os solenoides das vlvulas do modulador de

presso de freio que em atuao mantm constante ou reduz a presso no sistema (KNORR-

BREMSE, 2007). A Figura 6 demonstra o diagrama de blocos que representa o

funcionamento eletrnico do sistema, conforme LIMA ( 2005).

Figura 6 Diagrama de blocos de um sistema de freio ABS. (LIMA, 2005).


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2.3.3 Fases do ciclo de operao do sistema ABS

Na primeira fase de atuao representada uma situao de freagem normal, portanto

a vlvula solenoide 1 est aberta (Figura 7), permitindo que a presso gerada pelo

acionamento do cilindro mestre atue diretamente sobre os freios, fazendo com que o sistema

ABS apenas monitore o sistema. A Figura 7 dispe o diagrama da primeira fase.

Figura 7 Situao de freagem normal. (TRW, 2011).

Na segunda fase o sensor envia um sinal que a UCE identifica como bruscadesacelerao da roda (iminncia de travamento), esta por sua vez envia um sinal ao

modulador de presso que entra em ao e fecha a vlvula solenoide 1, mantendo constante a

presso do sistema, independente do esforo aplicado no pedal. Nessa fase acionado o motor

eltrico que faz funcionar a bomba aumentando a presso no sistema caso seja necessrio

terceira fase. Observe a Figura 8 composta pelo diagrama equivalente segunda fase (TRW,

2011).

Figura 8 Atuao do sistema ABS em presso constante. (TRW, 2011).


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Na terceira fase a roda continua na iminncia de travamento mesmo aps a ao da

fase anterior, ento a UCE comanda a abertura da vlvula solenoide 2, com isso o modulador

reduz a presso no sistema atravs da cmara de expanso, fazendo com que a bombarecoloque o fluido no circuito normal de freagem (no caso de veculos com ABS nas quatro

rodas) ou retorne o fluido para o cilindro mestre. O diagrama da Figura 9 mostra esse

contedo.

Figura 9 Atuao do sistema ABS em reduo de presso. (TRW, 2011).

Nesta fase a roda volta a girar sem frear, pois a presso est reduzida, logo em seguida

o sensor envia novamente um sinal a UCE, que comanda o fechamento da vlvula solenide 2

e a abertura da vlvula solenoide 1. A presso no sistema de freio aumenta e o ciclo reinicia,

conforme mostrado na Figura 10.


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Figura 10 Fechamento do ciclo de atuao do sistema ABS. (TRW, 2011).

2.3.4 Conceitos bsicos do ciclo de controle.

Para entender a importncia da aplicao do sistema ABS fundamental conhecer o

conceito de eficincia da freagem, que a aderncia utilizada em relao aderncia

disponvel entre o pneu e pavimento.

Eficincia mxima de freagem definida como a utilizao da mxima desaceleraosem que ocorra o travamento das rodas, garantido ao veculo uma parada com estabilidade e

dirigibilidade pelo mximo desempenho possvel. Em um sistema de freio convencional

praticamente impossvel combinar os dois mximos, porm o sistema ABS proporciona a

otimizao desses fatores. (GIORIA et all, 2008).

Sem aprofundar-se nos conceitos de dinmica veicular, se pode observar na Figura 11

a regio de atuao do sistema de freio ABS estudadas neste tpico.


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Figura 11 Zona de atuao do sistema ABS. (HIROAKI, et all, 2005).

A Figura 11 mostra o comportamento da freagem em duas reas distintas: a rea

estvel (a) do grfico e a roda em movimento sem travamento desde o ponto A (roda rola sem

escorregar) onde a freagem segura e obtem-se o mximo desempenho do freio na zona de

atuao do ABS. A rea instvel (b), onde a influncia do escorregamento torna-se cada vez

maior com o pneu tendendo ao travamento. Essa condio que resulta na queda no

desempenho da freagem alm da perda total do controle direcional do veculo devido o

travamento da roda no ponto B.

Na Figura 12 mostrado o comportamento da velocidade angular do pneu em relao

a presso aplicada no circuito hidrulico e o ciclo de atuao do sistema ABS dividido em

fases.


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Figura 12 Velocidade angular x controle da presso aplicada no circuito hidrulico. (adaptado deGIORIA, 2008 apud BOSH, 1999).

A desacelerao perifrica da roda vai alm do limite definido (-a) no final da Fase l e a vlvula

solenoide muda para a sua posio de manter presso constante. Ainda muito cedo para comear a reduzir a

presso do freio, pois o limite (-a) pode ser excedido dentro da regio estvel da curva de escorregamento e a

distncia de frenagem pode ser otimizada. A velocidade de referncia (vREF) reduzida ao mesmo tempo de

acordo com uma rampa definida. A velocidade de referncia serve de base para determinar o limite de mudana

do escorregamento 1. No final da Fase 2, a velocidade perifrica da roda (vR) cai abaixo do limite 1. A vlvula

solenoide reage mudando para sua posio de reduzir presso. A presso do freio ento continua a cair at a

desacelerao perifrica da roda exceder o limite (-a) novamente no final da Fase 3, isto seguido por uma fase

de manter a presso com uma durao definida. Durante esta fase, a acelerao perifrica da roda aumentou o

suficiente para exceder o limite (+a). A presso permanece constante.

No final da Fase 4 a acelerao perifrica da roda excede o limite relativamente pronunciado (+A). A

presso do freio ento continua a aumentar por tanto quanto a acelerao permanecer acima do limite (+A).

Na Fase 6, a presso mantida constante em resposta ao fato de que o limite (+a) est excedido. Este

estado indica que a roda entrou na regio estvel da curva de escorregamento, e est ligeiramente sub-frenando.


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A presso do freio agora incrementada em estgios (Fase 7) em um processo que continua at a

desacelerao perifrica da roda novamente exceder o limite (-a) (fim da Fase 7). Neste momento a presso

reduzida imediatamente, sem a gerao de um sinal 1.(GIORIA, 2008).

Figura 13 Funcionamento do sistema ABS nas quatro rodas do veculo. (GIORIA, 2008 apudGILLESPIE, 1992).

Na ilustrao da Figura 13 GIORIA (2008) e GILLESPIE (1992) mostram a

velocidade do veculo sendo representada por uma reta e a velocidade de cada roda sendo

controlada pelo sistema ABS. Quando os freios so acionados as velocidades das rodas

diminuem de acordo com a velocidade do veculo na regio1, porm a desacelerao das

rodas no uniforme, principalmente quando os freios so acionados mais rapidamente ou o

pavimento for escorregadio, quando a velocidade de uma ou mais rodas comea a cair mais

rapidamente (regio2) indicando que o pneu passou da zona estvel (ponto b da Figura 11) eest na iminncia de travamento. Neste ponto o ABS intervm e alivia o freio nessas rodas

antes que o travamento ocorra (regio3). O freio reaplicado quando a roda retoma a

velocidade. (GIORIA, 2008 apud GILLESPIE, 1992).

Outra forma de representao mostrada na Figura 14.


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Figura 14 Funcionamento do sistema ABS em dois eixos. (GARDINALLI, 2005).

No primeiro tero da freagem mostrada na Figura 14 h uma queda acentuada de

velocidade no eixo dianteiro (ED) e a acelerao do veculo se mantm em nveis baixos,

porm, na medida em que o controlador ABS vai estabilizando as rodas do eixo dianteiro a

acelerao comea a crescer e o veculo vai perdendo velocidade e para totalmente em torno

de 4s. (GARDINALLI, 2005).

Os grficos de velocidade da roda e do veculo em funo do tempo mostrados acima

vo ser obtidos por simulao no kit didtico para representar o ABS atuando sem o veculo.


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3. METODOLOGIA

A metodologia definida para a realizao deste trabalho consiste em uma estrutura de

desenvolvimento dividida em trs etapas: a primeira etapa composta por um circuito

eletrnico que calcula a mdia de tenso de dois sinais de entrada, compara a mdia com

valores estabelecidos para representar as aes do ABS e identifica quais sinais de entrada

possuem valores considerados baixos e necessitam dessas aes.

A segunda etapa utilizou os conceitos e a lgica da primeira etapa para desenvolver

um software em LabView que permite simular a representao grfica do sistema ABS noapenas identificando o sinal de entrada com menor valor mas realimentando - o atravs da

atuao do sistema em malha fechada.

A terceira etapa consiste na aplicao prtica da primeira e segunda etapa no kit LJ

utilizando a lgica de controle em malha fechada para representar o sistema ABS controlando

uma das rodas do veculo durante a desacelerao de freagem.

3.1 Materiais

Para atingir o objetivo deste trabalho, foram utilizadas para a primeira e a segunda

parte duas plataformas didticas da LJ CREATE, para a terceira parte foi necessrio uma

plataforma e um gerador de sinais.

Cada uma das plataformas constituda de trs conjuntos de placas bsicas sendo:

conjunto servomecnico, conjunto controlador e conjunto sinal referncia. Neste estudo ser

abordado com mais detalhe os componentes desses conjuntos que esto relacionados ao

desenvolvimento deste trabalho, uma ficha completa pode ser encontrada no ANEXO A. A

Figura 15 ilustra o conjunto servomecnico.


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Figura 15 Conjunto servomecnico.

Para simular a atuao dos freios ABS em bancada necessrio ter um gerador de

velocidade angular, um sensor de rotao para medir essa velocidade e cargas para variar essa

velocidade; a plataforma escolhida possui esses trs componentes bsicos para simulao e

realizao dos experimentos. A Tabela 2 mostra os componentes e suas respectivas funes.

Tabela 2 Componentes e funes do conjunto servomecnico.

Componentes funesMotor dc Gerador de velocidadeTaco gerador Sensor de rotaoFreio magntico Redutor de velocidade

utilizado um motor CC capaz de atingir 2500 rpm em ambas as direes.

O taco gerador atua como sensor de rotao, gerando uma tenso de sada

proporcional a rotao do seu eixo .


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O freio magntico composto por um im permanente preso a uma haste pivotada e

possui trs posies para variao de carga, sendo a primeira posio sem carga, a segunda

carga parcial e a terceira carga total.

O conjunto sinal de referncia consiste em uma placa com um potencimetro.

alimentado de -12v a +12v e fornece tenso de sada entre -5v e +5v. a Figura 16 ilustra esse

conjunto.

Figura 16 Conjunto sinal de referncia.

O terceiro e ultimo conjunto um comparador e controlador dos sinais de entrada e da

varivel manipulada. composto por um controlador PID, um amplificador de sinal, filtros e

inversores de sinal, que permitem realizar os ajustes dos sinais de realimentao fornecidos

pelo conjunto sevomecnico. A Figura 17 mostra a ilustrao desta placa.


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Figura 17 Conjunto controlador.

A escolha dessa plataforma foi baseada nos seguintes critrios:

Lay outsimples;

Disponibilidade de literatura tcnica;

Facilidade de instrumentao;

Disponibilidade dos equipamentos.Essa plataforma ser abordada a partir desse pargrafo como o veculo e o sistema de

freio ABS, portanto quando aparecerem termos como velocidade do veculo, atuao do freio

ABS entre outros, est se fazendo referncia ao kit didtico em desenvolvimento e no ao

veculo fsico propriamente dito.


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3.2 Mtodo.

Na primeira etapa deste trabalho o objetivo representar uma lgica de mdiaaritmtica para duas rodas, considerando o valor mdio como referncia e adotando um valor

percentual para cada ao do sistema ABS: valor maior para ao de presso constante e valor

menor para ao de reduo de presso. Quando a referncia for menor que o percentual

estabelecido para presso constante o circuito acende um led (amarelo) e identifica a roda

com iminncia de travamento e a representa acendendo um segundo led (amarelo). Para a

ao de reduo de presso o valor referencial precisa ser menor que o percentual

estabelecido para esta condio, assim sendo acender um led de cor vermelho e os

indicadores das rodas permanecero os mesmos. Os sinais de entrada so lineares, portanto

podem ser lidos atravs dos tacos geradores das plataformas LJ no caso da primeira etapa.

Optou-se por circuitos analgicos para a primeira etapa.

3.2.1 Primeira etapa: Circuito analgico.

Os sinais de entrada possuem uma variao de tenso de 0 a 5V proporcional variao de rotao. O circuito somador mostrado na Figura 18.

Figura 18 Circuito Somador.


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Esse circuito define a mdia dos valores de entrada (E1 e E2) e executa a comparao

com as referncias (Rf1 e Rf2, valores equivalentes a 92%da mdia) atravs das seguintes

etapas:

- Soma as entradas E1 e E2 e efetua a mdia atravs da equao a.

(a) (E1+E2) / 2 = M

Sendo: E1 = entrada lado esquerdo.

E2 = entrada lado direito.

M = Mdia.

- Executa a comparao das referncias 1e2 com o valor de cada entrada.

(b) 0,92% * M > E1 acende ledamarelo lado esquerdo.

(c) 0,92% * M > E2 acende ledamarelo lado direito.

- Fornece o valor mdio (M) para os circuitos Mdia1 e Mdia2.

- Adotam-se dois valores de referncia (VrABS1 e VrABS2): um valor (VrABS1)

representa presso constante conforme circuito da Figura 19 e o outro (VrABS2) representa o

sistema de freio ABS em reduo da presso no circuito de freio para evitar o travamento da

referente roda, demonstrado no circuito da Figura 20.

O objetivo de acender o led referente roda mostrar aquela que necessita ser

controlada.

3.2.2 Representao da ao de presso constante

A referncia VrABS1 equivale de 82% a 92% da mdia obtida com o sistema sem

carga aplicada e possui uma variao de tenso entre 4,1 e 4,6V. A Mdia1 representa um

valor aproximado VrABS1. Atravs da aplicao do primeiro estgio do freio magntico em

uma ou duas rodas feito uma comparao entre os valores mdia1 e VrABS1, caso Mdia1

for inferior acender o led amarelo representando presso constante, se no for, acender o led

verde. A Figura 19 mostra o circuito comparador Mdia1.


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Figura 19 Circuito comparador Mdia1.

3.2.3 Representao da ao de reduo de presso.

A referncia VrABS2 equivale de 62% a 81,5% da mdia obtida com o sistema sem

carga aplicada e possui uma variao de tenso entre 3,1 e 4,075V. A Mdia2 representa um

valor aproximado VrABS2. Atravs da aplicao do segundo estgio do freio magntico em

uma ou duas rodas feito uma comparao entre os valores Mdia2 e VrABS2, caso Mdia2

for inferior acender o ledvermelho representando reduo de presso, se no for, acender oledverde. A Figura 20 mostra o circuito comparador Mdia2.

Figura 20 Circuito comparador Mdia2.

O que diferencia as Mdias 1 e 2 so os valores VrABS1 e VrABS2. A Tabela 3

resume os resultados das mdias obtidas atravs das aplicaes do freio magntico.


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Tabela 3 Resultado das aplicaes do freio magntico.

Conjunto servomecanico1 Conjunto servomecnico2 Resultado

1) Livre Livre Livre2) Carga parcial Carga parcial Mdia13) Plena carga Carga parcial Mdia24) Plena Carga Plena carga Mdia 2

Compreende-se como livre (1) a condio de operao do veculo sem atuao do

sistema de freio, considerando rodagem no plano e sem diminuio de velocidade; com carga

parcial em ambas as rodas (2) a condio onde ocorre a diminuio de velocidade e a

Mdia1 inferior a VrABS1, que referncia para a representao da ao de presso

constante no sistema de freio; plena carga em uma das rodas e a outra com carga parcial (3),

traduz atrito diferente em cada roda (-split) e a Mdia pode atingir o VrABS2, diminuindo a

presso no circuito hidrulico da roda que estiver na iminncia de travamento; se as duas

rodas estiverem com carga total (plena carga), ambas as mdias atingiro o valor VrABS2,

que referncia para reduo de presso no circuito hidrulico da(s) roda(s) na iminncia de

travamento. Esses dados compem a tabela 4.

Tabela 4 Atuao do freio ABS.

Conjunto servomecanico1 Conjunto servomecnico2 Atuao do freio ABS1) Livre Livre Livre2) Carga parcial Carga parcial Presso constante3) Plena carga Carga parcial Diminuio de presso4) Plena Carga Plena carga Diminuio de presso

A Tabela 4 representa a atuao do freio ABS de acordo com a aplicao do freio

magntico em cada um dos conjuntos servo mecnico. Os valores VrABS1, VrABS2,

referncia1 e referncia2 foram calculados de acordo com a escala, a preciso e o range do kitLJ, portanto so vlidos somente para este tipo de plataforma em particular.

3.3 Segunda etapa: Representao grfica do sistema ABS atravs daferramenta computacional Labview.

Na segunda etapa o objetivo representar graficamente o sistema ABS atravs do

desenvolvimento de um software que utilize a mesma lgica aplicada na primeira etapa


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incrementando a realimentao do sistema. Para isso escolheu-se a linguagem de

programaoLabview, desenvolvendo um programa conforme o fluxograma da Figura 21.

Figura 21 Fluxograma principal da programao utilizada.

Os dois sinais de entrada (E1 e E2) representam os sensores de rotao da roda, os

dois sinais de referncia (Rf1 e Rf2) so responsveis por determinar qual ao o ABS deve

aplicar, ou seja, pr-estabelecido um valor mnimo para representar a ao de presso

constante; enquanto o valor mdio (M) for superior a essa referncia o sistema funciona

normalmente e nenhuma ao tomada, a partir do momento em que a mdia for inferior

acender o indicador maior da cor amarela com a sigla ABS (ABS1), alm disso, o valor de

cada entrada comparado com 90% da mdia, o sinal que estiver inferior essa porcentagem

acender um indicador de cor amarela com a finalidade de demonstrar que o mesmo necessita

de uma ao do ABS. Por exemplo, se os sinais de entrada em tenso forem E1 = 3,5V e E2 =


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4,5V, a mdia ser M = 4V e consequentemente 90% de M (0,9 * M) ser 3,6V, portanto E1

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Kit-didatico Freio