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Mecânica
Sistemas de freio
Sistemas de freio
ÍNDICE
Introdução 05
1ª Parte - Hidráulica 06
2ª Parte - Sistema de freios 30
Sistemas de freio
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In tro du ção
Abordaremos nesta apostila uma das mais importantes e vitais partes de um veículo, ou seja, o Sistema de Freios. Uma frenagem segura está relacionada com os cuidados dispensados a todo o sistema, visto que o mesmo está sujeito às mais diversas condições de tráfego. Diante disso, a conservação e verifi cação periódica de todo o sistema é essencial para proporcionar rendimento e maior segurança às frenagens.
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1ª Parte - Hidráulica
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Hidráulica, um pouco de história
Transformar pequenos esforços em grandes forças sempre foi uma necessidade do ser humano.
Foi Pascal, um sábio francês, o primeiro pesquisador a descobrir que aplicando pressão a um líquido...
...este se transmitia igualmente a todos os pontos do recipiente em que está contido.
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O princípio em que se baseou foi:
• “os fl uidos transmitem, integralmente e em todos os sentidos, as pressões que suportam”
Para entender como funcionam os dispositivos hidráulicos em um veículo, é necessário um conhe-cimento elementar de hidráulica.
Princípios de hidráulica
Hidráulica é parte da hidrodinâmica que estuda as propriedades dos fl uidos.
Quando aplicamos na superfície de um líquido uma força exercida por uma massa de 1 kg sobre uma secção de 1 m2 de área, essa pressão se transmitirá igualmente em todas as direções no recipiente.
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Mas como essa pressão chega nas paredes do recipiente?
A resposta está na segunda parte do Princípio de Pascal.
P = F A
Ex.: P = 10 Kgf = 2 Bar 5 cm2
P = 10 Kgf = 1 Bar 10 cm2
“As pressões transmitidas são proporcionais à área das paredes que as recebem”.
Observe que se colocarmos um peso de 10 kg no ponto “A” e forçá-lo num curso de 10 cm, o ponto “B”, sustentará o peso de 10 kg movimentando num curso também de 10 cm, pois as áreas “A” e “B” são iguais.
A B
10 kg 10 kg
10 cm 10 cm
Se ramifi carmos a extremidade “B” em duas saídas iguais, verifi camos que, para o mesmo curso do ponto “A”, podemos sustentar o mesmo peso em cada extremidade ramifi cada, porém em um curso de apenas 5 cm em cada uma.
A B1 B2
10 kg 10 kg 10 kg
10 cm 5 cm
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Se aumentarmos a extremidade “B” para 4 saídas, continuamos a sustentar o peso de 10 kg, no entanto, com um curso de 2,5 cm.
A B1 B2 B3 B4
10 kg 10 kg 10 kg 10 kg 10 kg
10 cm
2,5
cm
Perceba que, com a mesma força de 10 kg, podemos sustentar 40 kg, embora a área das quatro saídas seja quatro vezes maior.
Então deduzimos que se aplicarmos uma força em 1 cm2 num curso de 10 cm, poderemos sustentar um peso de até 1.000 kg, desde que a área de saída seja 100 vezes maior. Evidentemente o curso diminuirá em cem vezes.
A B
10 kg1000 kg
10 cm
1 m
m
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Verifi cou-se que o que se ganhava em força, perdia-se proporcionalmente em curso útil, devido ao aumento da área.
Esse princípio é utilizado em muitas situações no campo industrial, como em prensas, elevadores, direção/freios hidráulicos etc.
Nos freios hidráulicos, um esforço no cilindro mestre faz com que as rodas recebam a mesma pressão, sendo sufi ciente para freá-las.
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Podemos observar ainda que se necessitarmos diminuir a força para frear, basta reduzirmos o diâmetro do cilindro mestre e aumentarmos o curso.
Lembre-se que a força aplicada no cilindro mestre só será atuante quando todas as lonas estiverem encostadas nos tambores.
Assim, a pressão será igual em todos os cilindros e ao mesmo tempo.
Dentre os elementos que compõem o freio hidráulico, um tem importância fundamental no sistema:
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O fl uido de freio
Uma das mais importantes aplicações industriais das experiências de Pascal foi a utilização dos líquidos para a transmissão de força no sistema de freios hidráulicos.
As primeiras experiências foram feitas com água, porém logo se verifi cou que o líquido deveria ter outras características.
Sendo assim, foram feitas experências com vários tipos de misturas líquidas. No entanto, surgiram muitos problemas.
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Alguns materiais utilizados eram incompatíveis com o líquido, apresentando oxidação e vazamentos em conseqüência de sua deterioração.
Dessa forma, uma combinação entre óleo de mamona, álcool e um neutralizante demonstrou-se satisfatória...
...pois o óleo de mamona apresenta alta viscosidade, separação a baixa temperatura e degradação.
Com o desenvolvimento dos veículos, a produção de calor nas frenagens aumentou, exigindo uma dissipação mais rápida...
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...e um líquido dotado de características químicas e físicas que garantisse condições de trabalho nas diversas circunstâncias.
No Brasil, a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) é o órgão que regulamenta as especifi cações sobre os fl uidos. Mas quais são as características mais importantes?
Ponto de ebulição
Temperatura em que o líquido, quando aquecido, começa a mudar de fase. O fl uido deve possuir um ponto de ebulição de 2050C ou 2350C conforme prescrição de serviço...
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...e mesmo após prolongado aquecimento, manter o ponto de ebulição estável.
Viscosidade
É a resistência interna de um fl uido ao escoamento.
PH e corrosão
O fl uido de freio deve ter PH entre 7 e 11,5 (de neutro a alcalino).
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Tolerância com água
É a condição de absorver pequenas quantidades de água quando contaminado pelo contato com o ar e permanecer homogêneo.
Prova de congelamento
O fl uido de freio deve permanecer sem solidifi car sob baixas temperaturas.
Perda por evaporação
Perda de características após uso contínuo e por temperaturas elevadas.
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Um outro freio que merece nossa atenção é o freio a vácuo. Para entender melhor o princípio de funcionamento desse freio é necessário que saibamos um pouco sobre:
O vácuo e a pressão atmosférica
Estamos constantemente fazendo uso da combinação vácuo (depressão) e pressão atmosférica, embora não percebamos.
Quando tomamos um refrigerante com o canudinho, primeiramente extraímos o ar existente em seu interior.
O ar atmosférico faz pressão na superfície do líquido e o empurra para dentro do canudo.
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Esteja atento! O vácuo não suga nada, apenas cria uma pressão menor que a pressão atmosférica.
Pressão atmosférica
Nosso planeta está envolvido em uma camada de ar chamada atmosfera.
Supõe-se que essa camada de ar não exceda 1.000 km.
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O ar também é atraído devido à gravidade, pesando sobre a terra e produzindo a “pressão atmosférica”.
À medida que subimos em relação à atmosfera, a pressão vai caindo. Como isso acontece?
Suponha que a atmosfera se divida em várias camadas horizontais sobrepostas. A camada mais inferior suporta todo o peso da atmosfera.
Essa camada é a mais comprimida e, por conseguinte, mais densa e pesada.
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Diante disso, Galileu observou que uma bomba aspirante não conseguia elevar a água a uma altura superior a 10,3 m.
10,3 m
Depois, Torricelli conseguiu avaliar o porquê dessa limitação.
Encheu de mercúrio um tubo de 90 cm de comprimento.
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Tampou a extremidade e o mergulhou numa cuba que também continha mercúrio.
O mercúrio desceu parando numa altura de 76 cm.
76 cm
Restou um espaço desprovido de ar que chamamos de “vácuo barométrico”.
VácuoBarométrico
A pressão atmosférica pesa sobre o mercúrio da tina, sustentando os 76 cm da coluna de mercúrio.
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Então dizemos que a pressão atmosférica equivale a uma coluna de mercúrio de 76 cm de altura.
Podemos fazer uma relação da experiência de Torricelli substituindo o mercúrio pela água.
A água pesa 13,6 vezes menos que o mercúrio.
Assim, a coluna de água deverá ser 13,6 vezes mais alta, ou seja, 10,33 m ou 0,76 m x 13,6.
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Podemos concluir então que uma coluna de água de 10,33 m pesa igualmente a uma coluna de mercúrio de 0,76 m.
É importante lembrar que todos esses cálculos consideram o nível do mar como a superfície mais baixa da terra. Portanto, suporta a maior e mais pesada camada de ar.
Assim, cada cm2 da superfície suporta uma força exercida por uma massa de 1 kg.
Um homem médio com 15.000 cm2 de superfície suporta uma pressão de 15 toneladas.
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A
B
É essa pressão que utilizamos no campo automotivo.
O vácuo
Na física defi nimos o vácuo como uma pressão inferior à pressão atmosférica.
O vácuo é medido pela pressão diferencial em um tubo graduado. Tomemos um tubo com duas extremidades “A” e “B”.
Na extremidade “A” ligamos um dispositivo que retira o ar de dentro do tubo.
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A extremidade “B”, após estar em contato com o ar ambiente, é mergulhada em uma tina de mercúrio.
Quando provocamos vácuo na parte de cima, a pressão empurra o mercúrio tubo acima.
Vácuo
A graduação do tubo indicará a pressão diferencial. O tubo tem graduação em polegadas e é chamado de “manômetro diferencial de mercúrio”.
Para fi ns industriais e automotivos, esse tubo é substituído por um dispositivo chamado de vacuômetro, que indica o total de vácuo gerado.
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A ação de um cilindro a vácuo
Para entender bem a utilização do vácuo no campo automotivo, vamos tomar como exemplo o servofreio a vácuo.
Utilizaremos a atuação do vácuo e pressão atmosférica sobre um êmbolo dentro do cilindro.
Observe que as duas extremidades “A” e “B” do cilindro estão abertas à atmosfera.
Há uma pressão de ar igual a 14,7 libras-força por polegada quadrada em cada face do êmbolo.
PressãoAtmosférica
A B
14,7 lbf /pol2
14,7 lbf /pol2
PressãoAtmosférica
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Dessa forma o êmbolo não se moverá em nenhum sentido, pois as pressões estão balanceadas.
Vamos retirar parcialmente o ar da extremidade “A”. A pressão fi cará reduzida a 4,7 libras-força por polegada quadrada.
Vácuo
A B
PressãoAtmosférica
14,7 lbf /pol2
14,7 lbf /pol2
P.B. > P.A. = 14,7 - 4,7 = 10 lbf/pol2
Pressão diferencial de 10 lbf/pol2
Então temos uma pressão diferencial de 14,7 (extremidade “B”) menos 4,7 (extremidade “A”) sob pressão de 10 lbf/pol2.
Se tanto a extremidade “A” quanto a “B” estivessem fechadas e houvesse vácuo parcial nas câmaras, o êmbolo não se moveria fi cando “suspenso em vácuo” até que abríssemos uma das extremidades à atmosfera.
A B A B
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Assim funcionam os freios, admitindo um volume de ar no circuito de forças do motor.
Perceba que, ao combinarmos o ar atmosférico e o vácuo com os devidos cuidados,...
...podemos enumerar grandes vantagens para a aplicação no campo automotivo.
Principalmente para o sistema de freios que será o tema que estudaremos na próxima parte. Até lá.
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2ª Parte - Sistema de freios
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Os freios e sua história
A roda se constituiu em uma das mais importantes invenções. Sabemos que foi ela que permitiu transportar cargas que escapavam à capacidade da força humana.
Uma vez em movimento, algo deveria pará-las quando chegassem ao destino.
Foi diante dessa necessidade que surgiram os primeiros sistemas de freios, ainda que arcaicos.
Por algum tempo, usou-se cunhas que eram colocadas debaixo das rodas.
No entanto, o desgaste com o atrito foi exigindo que se desenvolvessem métodos mais aprimorados.
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Assim, foi criado um dos primeiros freios que usavam duas cintas fl exíveis de aço em volta de um tambor também de aço.
Porém, o desgaste da cinta era rápido, sendo necessária a utilização de outros materiais como a madeira que, rebitados na cinta, aumentavam a efi ciência do freio.
Contudo, esse sistema fi cava exposto às impurezas...
... e os freios eram submetidos a grandes esforços de frenagem causando desgastes nos componentes.
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Com a evolução dos automóveis, as potências aumentaram e conseqüentemente as velocidades...
...tornando necessária a introdução dos freios nas quatro rodas.
Os freios eram puramente mecânicos, o que resultava em grandes esforços físicos.
A partir daí, o homem tem desenvolvido e aprimorado a cada dia o Sistema de Freios, utilizando a mecânica e a eletrônica para construir os mais modernos mecanismos.
Para chegar a essa fase, muito estudo teve que ser desenvolvido, principalmente sobre o atrito.
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Quando uma força é aplicada para retardar ou parar um corpo em movimento...
...resultará entre os dois corpos em contato o que chamamos de atrito.
A força utilizada para esse objetivo é denominada de ação da pressão. As superfícies atritadas resistirão a qualquer movimento entre elas.
Perceba que, se aumentarmos o peso e modifi carmos o material em contato, o atrito será mais efetivo.
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É importante considerar a qualidade do material usado nas superfícies de atrito. Diferentes materiais com diferentes características de atrito resultam no que chamamos Coefi cientes de Atrito.
Nos automóveis, quando o atrito entre o disco e a pastilha for alto, será necessário um menor esforço de frenagem, porém com maior desgaste dos pneus.
Quando o atrito do material de fricção for baixo, ocorrerá o inverso, ou seja, maior esforço de frenagem e menor desgaste dos pneus.
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Esse atrito vai gerar calor, portanto as peças devem ser dimensionadas de maneira a absorver e dissipar o calor resultante da força desenvolvida na frenagem.
Os veículos desenvolvem a cada dia velocidades mais elevadas. Com isso é necessário um esforço muito grande para freá-los.
Em alguns casos, os freios desenvolvem uma potência dez vezes maior que o motor.
Essa enorme energia é transformada em calor que os freios devem absorver e dissipar, determinando a potência da frenagem.
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Quando duplicamos a velocidade de um veículo, a potência deve ser quadruplicada e os freios, em conseqüência, absorverão e dissiparão quatro vezes mais calor.
Nessas condições, quando mantemos a mesma potência de frenagem, aumentará a distância necessária para parar um veículo desde o início da freada. Como será que isso acontece?
Aplicação do princípio de frenagem
Quando freamos um veículo em velocidade, o sistema de freios atua progressivamente, controlando o atrito.
O calor gerado é dissipado nos intervalos da frenagem, ou seja, quando o freio não está sendo utilizado.
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Lembre-se que, embora a freada efetiva seja aplicada nos tambores,
Sapatas
Superfície deatrito do tambor
...é no contato dos pneus com o solo (pavimento) que consideramos o atrito atuante.
Esse atrito determinará a frenagem até a parada total.
Se os freios superarem o atrito no pavimento, o calor produzido fi cará restrito a uma pequena área do pneu que deslizará.
O efeito máximo de retardamento sobre o solo, é uma das forças que determinam o total de desaceleração conhecida por fator “K”.
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Isso signifi ca que um determinado tipo de piso pode tolerar somente uma combinação de força de retardamento na frenagem.
Em nossas rodovias, a porcentagem limite para uma parada é de 0.60 “K”, ou seja, 60 quilos de força retardada para 100 quilos de peso.
O torque nos freios
O total de capacidade de torque no freio (energia de paralisação) depende primeiramente do peso do veículo, do tamanho e do fator “K”.
Depende também das forças atuantes no sistema e da energização das sapatas.
Quando as sapatas encostam no tambor, elas tendem a girar ao redor de seu ponto de articulação.
Efeito mais atuante
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Quando a lona é pressionada contra o tambor, produz uma força que chamamos ”Auto-energizante”.
Quando há o afastamento da sapata do tambor, acontece a oposição de força atuante chamada desenergização...
…que transforma a sapata em uma alavanca, auxiliando as forças atuantes e auto-energizantes a comprimir as sapatas contra o tambor.
Auto-energizante Desenergizante
Se a resultante estiver muito próxima da extremidade livre, a ação da sapata será incontrolável.
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O rendimento da ação da frenagem é uma constante preocupação dos projetistas que, para isso, desenvolvem componentes cada vez mais modernos para compor o freio das rodas.
Freio das rodas é o mecanismo que transforma as pressões de aplicação em forças mecânicas para retardar o movimento das rodas até pará-las.
Existem vários tipos de construções de freios dentre eles:
Simplex Duplex
Sem esquecer, é claro, do freio de estacionamento.
São freios incorporados às sapatas das rodas traseiras e acionados por um sistema de cabos de aço ligados a uma alavanca de comando manual.
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Há também os freios a disco com freio de estacionamento. São auto-reguláveis e não estão sujeitos às anomalias de um freio convencional a tambor.
Funcionam incorporados a uma unidade hidráulica que freia com mais efi ciência que os convencionais.
Esse sistema permite o acionamento através de cabos que são equipados com um mecanismo de regulagem automática acondicionada no interior da pinça.
�������������������������Vamos ver agora um componente muito importante e que infl ui diretamente na força que é imprimida no pedal de freio.
Servofreio
É acionado pelo vácuo fornecido pelo motor do veículo e pela pressão atmosférica. Consiste em três elementos básicos combinados: uma seção de vácuo, uma válvula de controle e um cilindro-mestre.
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Está montado na unidade de vácuo e fornece fl uido pressurizado para os cilindros das rodas de acordo com o esforço aplicado no pedal de freio. O servofreio possui três posições:
Posição de repouso
Quando os freios não são aplicados e o motor está funcionando, o ar é retirado da câmara dianteira e armazenado. A válvula de controle da passagem de ar retira o ar da câmara traseira, criando o vácuo. Com o vácuo nas câmaras, o diafragma e o êmbolo estarão em equilíbrio.
Posição aplicada
A passagem de ar atmosférico é aberta para entrada na câmara traseira. Havendo vácuo na câmara dianteira e pressão atmosférica na câmara traseira, cria-se o diferencial de pressão entre elas, causando o movimento dos componentes que acionarão os êmbolos do cilindro-mestre.
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Posição de equilíbrio
Quando o freio é aplicado, a reação contra o êmbolo da válvula fecha a passagem do ar atmosférico e abre para o vácuo. Com as duas passagens fechadas, o servofreio permanece em posição de equilíbrio.
Funcionamento sem auxílio do vácuo
Vários fatores podem ocasionar a falta de ar no sistema. Quando isso ocorrer, o freio funcionará por completo uma vez, ou ainda, por diversas vezes parcialmente, bastando para isso um aumento do esforço no pedal de freio.
Freios hidráulicos
Nesse sistema, a pressão exercida pelo pedal de freio é transmitida à sapata de forma ampliada. Os componentes básicos são: cilindro mestre, tubulações e cilindros de rodas.
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Cilindro mestre
Existem vários tipos, contudo, o princípio de funcionamento é o mesmo e apresentam três posições: Descanso, Acionamento e Retorno.
Cilindro mestre duplo
É composto por dois êmbolos, um ou dois reservatórios e duas saídas. O objetivo é ter um circuito para as rodas dianteiras e outro para as traseiras, ou seja, se um falhar o outro continuará funcionando. Atualmente a FIAT utiliza o sistema cruzado.
Falhas no circuito dos freios
Vazamento no circuito traseiro
Caso se verifi que vazamentos no circuito traseiro, o êmbolo não encontrará resistência por parte do fl uido da câmara 1, então empurrará mecanicamente o êmbolo da câmara 2, acionando o freio dianteiro.
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Vazamento no circuito dianteiro
Se o vazamento estiver no circuito dianteiro, os êmbolos percorrerão livremente até que o batente do êmbolo secundário encoste no fundo da câmara. Assim haverá como comprimir o fl uido para acionar a parte traseira.
A verifi cação das tubulações é muito importante, pois qualquer vazamento ou entrada de ar tornam o sistema de freios precário.
Sangria
Na manutenção dos freios, é necessário que se retire possíveis bolhas de ar de dentro do sistema. Essa operação pode ser:
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manual...
...ou com pressurizador.
Lembre-se que, para efetuar a sangria, o reservatório deve estar cheio de fl uido limpo.
É importante não reutilizar o fl uido de freio pois poderá obstruir o sistema.
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Corretor de frenagem
Os primeiros veículos fabricados dispunham de um sistema de freios que atuavam nas quatro rodas sem levar em consideração a carga suportada no eixo traseiro e dianteiro.
Esse sistema não era adequado visto que as rodas traseiras, que suportavam menos peso, travavam primeiro que as rodas dianteiras.
A primeira mudança efetuada foi a diminuição da área dos cilindros traseiros para diminuir a força de frenagem.
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Contudo, esse dispositivo fi xava um peso para o eixo e funcionava sem regulagem. O Corretor de Frenagem foi desenvolvido para suprir essa defi ciência.
É uma válvula reguladora de pressão do fl uido dos freios traseiros que aplica a carga necessária de acordo com a carga transportada, evitando que as rodas traseiras travem antes das dianteiras nas freadas bruscas.
Válvula reguladora de pressão
Foi desenvolvida para a compensação da carga de frenagem entre as rodas dianteiras e traseiras.
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Funciona a partir de uma mola que é comprimida por uma haste e que libera mais ou menos fl uido para a frenagem, de acordo com a carga imprimida nos eixos.
Bem, chegamos ao fi nal de mais uma apostila.
Agora é praticar e estar atento a esse sistema tão importante dos veículos. Vá em frente!
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