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2
7.1. Introdução e Definições
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TÓPICOS ABORDADOS
7. FREIOS e EMBREAGENS
Freios
Embreagens
7.2. Tipos e Características Principais
7.3. Componentes Principais
7.4. Características da Frenagem
7.5. Funcionamento
7.6. Materiais Utilizados
7.7. Análise das Cargas
7.8. Energia e Temperatura
7.9. Embreagens
Exercícios
3
7.1. INTRODUÇÃO e DEFINIÇÕES
Dispositivo mecânico destinado a trazer para a mesma velocidade duas
massas com inércias I1 e I2 (podem ser iguais) e velocidades normalmente
angulares (ω1 e ω2) ou lineares (v1 e v2).
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DEFINIÇÃO
- Devido a similaridade de suas funções, embreagens e freios serão tratados
conjuntamente.
- No caso de uma das velocidades ser zero, o dispositivo utilizado é o FREIO
- A EMBREAGEM é utilizada nos outros casos. É um acoplamento.
4
7.2. TIPOS e CARACTERÍSTICAS
1. Freio de SAPATA (Tambor)
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2. Freio à DISCO
Sapata Interna
Sapata Externa
3. Freio de CINTA
4. Embreagens
Molas
Disco
5
Sapata Externa
Sapata Interna
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1. Freios de Sapata
7.2. TIPOS e CARACTERÍSTICAS
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1. Freios de Sapata INTERNA Sapatas ou Lonas
7.2. TIPOS e CARACTERÍSTICAS
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1. Freios de Sapata INTERNA
7.2. TIPOS e CARACTERÍSTICAS
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Freio auto travante Freio não auto travante
1. Freios de Sapata INTERNA
7.2. TIPOS e CARACTERÍSTICAS
Acionamento mecânico
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1. Freios de Sapata EXTERNA
7.2. TIPOS e CARACTERÍSTICAS
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Pastilhas
2. Freios a DISCO
7.2. TIPOS e CARACTERÍSTICAS
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2. Freios a DISCO
7.2. TIPOS e CARACTERÍSTICAS
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2. Freios a DISCO
7.2. TIPOS e CARACTERÍSTICAS
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2. Freios a DISCO
7.2. TIPOS e CARACTERÍSTICAS
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2. Freios a DISCO
7.2. TIPOS e CARACTERÍSTICAS
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Freios hidráulico
Freio eletromagnético
Freio modular
2. Freios a DISCO - Clips
7.2. TIPOS e CARACTERÍSTICAS
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3. Freios de CINTA
7.2. TIPOS e CARACTERÍSTICAS
eP
P 2
1
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3. Freios de CINTA (cont.)
7.2. TIPOS e CARACTERÍSTICAS
F
Cinta de couro
Cinta de
pastilhas
Cinta de aço
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7.2. TIPOS e CARACTERÍSTICAS
Freios de CINTA diferencial
3. Freios de CINTA (cont.)
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Espelho (back plate): tem a função de alinhar o conjunto para prover o ponto ideal de contato entre a
sapata e o tambor de freio. Caso o espelho esteja desalinhado este ponto fica
comprometido, ocorrendo desgaste prematuro das sapatas.
Sapatas e lonas: as sapatas alojam as lonas de freio. As lonas
feitas de amianto têm como característica a
sua estabilidade de atrito durante sua a vida
útil. As lonas duram mais que as pastilhas
de freio e causam o mínimo de desgaste do
material de fricção.
Outra característica marcante é a
resistência e rápida recuperação em caso de
“fade”, que é a perda de eficiência em
virtude das altas temperaturas entre tambor
e lona. Existe uma série de configurações de
disposição das sapatas: fixa/fixa;
simplex/fixa; duplex e flutuante.
7.3. COMPONENTES PRINCIPAIS
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Tambor: sua função principal é formar a superfície de atrito com a qual a lona de freio irá
ser comprimida. O tambor também serve como tampa para o sistema, evitando
entrada de poeira e detritos, porém ele não é vedado e será atingido em passagens
inundadas. Os rolamentos da roda também estão alojados ali.
7.3. COMPONENTES PRINCIPAIS
Os tambores são feitos de ferro fundido,
no entanto possuem uma pequena
porcentagem de carbono na composição.
Devido à lenta dissipação do calor esses
pontos de carbono tendem a subir em direção
À maior temperatura, no caso a superfície de
atrito, formando “bolinhas” azuladas.
Quando a temperatura cai essas elas tornam-
se extremamente duras, gerando trepidações
na frenagem.
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Cilindro de freio: tem a função de acionar as sapatas via pressão hidráulica do fluido de freio. Em
geral é feito de ferro fundido e composto por pistão, gaxetas de vedação e mola
centralizadora. O cilindro de freio possui também tipos diferentes, são eles: efeito
simples, duplo efeito e duplo efeito com diâmetros diferenciados.
Molas: têm a função de retornar as sapatas a sua
posição inicial depois de cessada a pressão
no pedal.
Freio de estacionamento: em geral é um sistema mecânico independente
que consiste em um cabo metálico ligado a
uma alavanca conectada a uma das sapatas.
Quando puxada, o cabo é acionado
pressionando as sapatas contra o tambor.
7.3. COMPONENTES PRINCIPAIS
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Regulador automático: ao acionar o freio, a resposta precisa ser imediata. Contudo as lonas sofrem
desgaste e a folga entre ela e o tambor aumenta; o cilindro mestre precisa,
portanto, compensar com mais fluido, alongando o curso do pedal.
7.3. COMPONENTES PRINCIPAIS
Para evitar esse inconveniente foi
incorporado um sistema de regulagem
automática que vai deslocando a
sapata para próximo do tambor de
acordo com seu desgaste, até certo
ponto.
Quando o desgaste se torna crítico deve-se
trocar todo o conjunto do tambor.
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7.3. COMPONENTES PRINCIPAIS
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Influência do tipo de terreno.
7.4. CARACTERÍSTICAS da FRENAGEM
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7.4. CARACTERÍSTICAS da FRENAGEM
Freio a disco sem ABS
Freio a disco com ABS
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Para reduzir a velocidade ou imobilizar a massa, a energia cinética
acumulada durante o movimento deve ser dissipada.
A análise do funcionamento destes dispositivos, é feita avaliando-se:
7.5. FUNCIONAMENTO
Toda a energia é transformada em calor, aumentando a temperatura e
dissipada para o meio.
Os freios executam essa tarefa através do ATRITO entre as sapatas e o
tambor.
- A força de acionamento - F
- O torque transmitido - T
- A perda de energia
- O aumento de temperatura - T
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7.5. FUNCIONAMENTO
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7.5. FUNCIONAMENTO
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VANTAGENS DO FREIO A TAMBOR:
- Incorpora facilmente um sistema de freio de estacionamento
- Baixo custo de fabricação
- Baixo custo de manutenção
- Grande área de atrito
- Simples e funcional
7.5. FUNCIONAMENTO
(em relação ao freio a disco )
- Possui grande área de contato (motivo pelo qual toda a linha de veículos pesados ainda usa freio a tambor )
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- Eficiência de frenagem inferior
- Mais pesado
- Possui mais peças
- Superaquece com mais facilidade
- Manutenção demorada, embora mais barata
- Tendência ao “fading” (fadiga causada pelo excesso de calor)
- Sua blindagem não o protege contra imersão
7.5. FUNCIONAMENTO
DESVANTAGENS DO FREIO A TAMBOR:
(em relação ao freio a disco )
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7.5. FUNCIONAMENTO
- Dissipação de calor:
- CARACTERÍSTICAS NECESSÁRIAS:
Resiliência:
- Capacidade do material resistir a uma
carga por choque sem apresentar uma
deformação permanente.
- Absorver energia em curto período de
tempo e, em seguida, restituir.
- Área abaixo da curva no diagrama
s x , na região elástica.
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7.6. MATERIAIS UTILIZADOS
1. Alto e uniforme coeficiente de atrito
2. Resistência à altas temperaturas e boa condutividade térmica
4. Boa resiliência
3. Alta resistência ao desgaste
As pastilhas de freios e lonas são basicamente confeccionados por uma
mistura de:
Razão de área/potência média de frenagem
[mm2/(J/s)]
Tipo de
serviço Aplicações típicas
Freio de cinta
e tambor
Freio a disco
de prato
Freio a disco
de pinça
baixo Freios de emergência 52 171 17.1
intermitente Elevadores, guindastes ,
guinchos e gruas 171 434 43
pesado Escavadeiras, prensas 342-422 832 86
Tabela 1:
Área superficial requerida para
várias potências de frenagem
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7.6. MATERIAIS UTILIZADOS
- Fibras de asbesto - alta resiliência e suportam altas temperaturas;
- Partículas de atrito - resistência ao desgaste e alto coeficiente de atrito;
- Materiais aglomerantes.
Passos a seguir:
1º) Determinar a distribuição de pressão nas superfícies em contato;
2º) Determinar uma relação entre a pressão máxima e a pressão atuante
em qualquer ponto;
3º) Aplicar as equações de equilíbrio estático e determinar:
- a força atuante ou necessária à frenagem;
- o torque de frenagem ou capacidade do freio e
- as reações nos pinos.
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7.7. ANÁLISE DAS CARGAS
- Força necessária à frenagem - F
- Torque de frenagem - T
- Reação nos pinos - Rx e Ry
A área da sapata
pa pressão máxima
atuante
p pressão em qualquer
ponto
f coeficiente de atrito
1º passo:
Área da sapata pequena distribuição de pressão uniforme
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7.7. ANÁLISE DAS CARGAS
a
A
b
f.N
movimento
Rx
F
N f.N
pa = pmáx
Ry pino
Determinar uma relação entre a pressão máxima e a pressão atuante em
qualquer ponto.
ApN a
p = pmáx (pa)
N = pressão . A
..(1)
3º passo:
Aplicar as equações de equilíbrio estático.
Fx = 0
Fy = 0
...(2)
- Substituindo (1) em (2) e resolvendo para a força
atuante (F), tem-se:
MA = 0
b
afbApF a
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a
Movimento
N
f.N
A
Ry
Rx
F
b
f.N
pmáx
7.7. ANÁLISE DAS CARGAS
2º passo:
F . b + f . N . A – N . b = 0
Rx = f . pa . A
Ry = pa . A - F
1º PASSO:
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7.7. ANÁLISE DAS CARGAS
A pressão é proporcional à distância vertical, a partir do pino.
- FREIO DE SAPATA INTERNA
Determinar a distribuição de pressão nas superfícies em contato
d
2
x
y
Ry
Rx
r
F
Rotação
aA
r.d
pmáx
p sen ()
a
a
a
a
sin
sinpp
sin
p
sin
p
2º PASSO:
1º) pmáx (pa) ocorre em = 90º
2º) = 0 pouca contribuição
para a frenagem
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7.7. ANÁLISE DAS CARGAS - FREIO DE SAPATA INTERNA
1º PASSO:
A pressão é proporcional à distância vertical, a partir do pino.
x
Determinar uma relação entre
a pressão máxima e a pressão
atuante em qualquer ponto.
OBS.:
Distribuição de pressão mais próxima da real
1
2
x
y
Ry
Rx
r
F
F
F
x
y
a.seno.
r -
a.co
s.
dNdN.seno.
dN.cos.
f.dNf.dN.cos.
f.dN.seno.
Rotação
ac
area
drbpdN
onde b largura da sapata
d
sen
senrbpdN
a
a
a
asen
senpp
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7.7. ANÁLISE DAS CARGAS - FREIO DE SAPATA INTERNA
3º PASSO: Aplicar as equações de equilíbrio estático e determinar:
Freio mais eficiente. força necessária à frenagem - F
torque de frenagem - T
reações nos pinos - Rx e Ry
1
2
x
y
Ry
Rx
r
F
F
F
x
y
a.seno.
r -
a.co
s.
dNdN.seno.
dN.cos.
f.dNf.dN.cos.
f.dN.seno.
Rotação
ac
0 Nf MMcF
A
(3) sapata auto-travante
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7.7. ANÁLISE DAS CARGAS - FREIO DE SAPATA INTERNA
3º PASSO: Aplicar as equações de equilíbrio estático e determinar:
MA = 0
c
MMF
fN
c
MMF
fN
(4) sapata não auto-travante
...(3)
...(4)
1
2
x
y
Ry
Rx
r
F
F
F
x
y
a.seno.
r -
a.co
s.
dNdN.seno.
dN.cos.
f.dNf.dN.cos.
f.dN.seno.
Rotação
ac
1) Sapata auto-travante: a
a drbpdNdrbpdN
sin
sin
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2
1
cos
ardNfM f
darsen
sen
rbpf
a
a
2
1
cos
2
1
2
1 2
2
sen.acosr
sin
rbpfM
a
af
41
- Cálculo da carga F:
- Momento devido à força de atrito - Mf :
7.7. ANÁLISE DAS CARGAS - FREIO DE SAPATA INTERNA
c
MMF
fN
1
2
x
y
Ry
Rx
r
F
F
F
x
y
a.seno.
r -
a.co
s.
dNdN.seno.
dN.cos.
f.dNf.dN.cos.
f.dN.seno.
Rotação
ac
- Momento devido à força normal - MN:
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2
1
senadNM N
dsen
sen
arbp
a
a
2
1
2
2
14
2
2
sen
sen
arbpM
a
a
N
42
7.7. ANÁLISE DAS CARGAS - FREIO DE SAPATA INTERNA
a
a drbpdNdrbpdN
sin
sin
1) Sapata auto-travante:
- Cálculo da carga F: c
MMF
fN
1
2
x
y
Ry
Rx
r
F
F
F
x
y
a.seno.
r -
a.co
s.
dNdN.seno.
dN.cos.
f.dNf.dN.cos.
f.dN.seno.
Rotação
ac
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- Cálculo da capacidade de frenagem - T (torque de frenagem):
d
sen
senrbpf
a
a
2
1
2
dsen
sen
rbpf
a
a 2
1
2
2
1
rdNfT
7.7. ANÁLISE DAS CARGAS - FREIO DE SAPATA INTERNA
a
a drbpdNdrbpdN
sin
sin
1) Sapata auto-travante:
21
2
coscos
a
a
sen
rbpfT
xx FsendNfdNR
2
1
2
1
cos
x
BA
a
a Fdsenfdsensen
rbp
2
1
2
1
2cos
2
1
2
1 2cos
2
sendsenA
2
1
2
1 4
2
2
2
sendsenB
x
a
a
x FBfAsen
rbpR
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1
2
x
y
Ry
Rx
r
F
F
F
x
y
a.seno.
r -
a.co
s.
dNdN.seno.
dN.cos.
f.dNf.dN.cos.
f.dN.seno.
Rotação
ac
7.7. ANÁLISE DAS CARGAS - FREIO DE SAPATA INTERNA
a
a drbpdNdrbpdN
sin
sin
1) Sapata auto-travante:
- Cálculo da reação nos pinos - Rx e Ry
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1
2
x
y
Ry
Rx
r
F
F
F
x
y
a.seno.
r -
a.co
s.
dNdN.seno.
dN.cos.
f.dNf.dN.cos.
f.dN.seno.
Rotação
ac
yy FdNfsendNR
cos
2
1
2
1
y
AB
a
a Fdsenfdsensen
rbp
2
1
2
1
cos2
y
a
a
y FAfBsen
rbpR
cos FFx
senFFy
7.7. ANÁLISE DAS CARGAS - FREIO DE SAPATA INTERNA
a
a drbpdNdrbpdN
sin
sin
1) Sapata auto-travante:
- Cálculo da reação nos pinos - Rx e Ry (cont.)
onde:
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7.7. ANÁLISE DAS CARGAS - FREIO DE SAPATA INTERNA
c
MMF
fN
x
a
a
x FBfAsen
rbpR
y
a
a
y FAfBsen
rbpR
1. Sapata auto-travante:
c
MMF
fN
x
a
a
x FBfAsen
rbpR
y
a
a
y FAfBsen
rbpR
2. Sapata NÃO auto-travante
4 hipóteses foram assumidas:
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7.7. ANÁLISE DAS CARGAS
A pressão em qualquer ponto foi assumida como proporcional à
distância a partir do pino, sendo zero nele.
1.
2.
3.
4.
O efeito da força centrífuga foi desprezado.
A sapata foi considerada rígida.
- no caso de freios, onde a sapata é estacionária, não há problema.
- no caso de embreagens, é preciso considerá-la nas equações de equilíbrio.
O coeficiente de atrito foi considerado uniforme. Ele de fato depende de
algumas variáveis:
f = f (pressão, temperatura, material, desgaste, etc.)
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Ele
mento
s de M
áquin
as
II -
Fre
ios
e E
mbre
agens
48
c
MMF
fN
x
a
a
x FBfAsen
rbpR
y
a
a
y FBAfsen
rbpR
7.7. ANÁLISE DAS CARGAS - FREIO DE SAPATA EXTERNA
1) Sapata auto-travante:
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Ele
mento
s de M
áquin
as
II -
Fre
ios
e E
mbre
agens
49
c
MMF
fN
x
a
a
x FBfAsen
rbpR
y
a
a
y FBAfsen
rbpR
7.7. ANÁLISE DAS CARGAS - FREIO DE SAPATA EXTERNA
2) Sapata NÃO auto-travante:
1. Toda a energia cinética do elemento de máquina em rotação é absorvida
pelo freio, em forma de calor, entre os tempos t0 = 0 e t1.
- Tempo requerido para frenagem:
- Energia total dissipada durante a frenagem:
21
21211
IIT
IIt
21
2
2121
2 II
IIE
onde:
(independente do torque)
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Ele
mento
s de M
áquin
as
II -
Fre
ios
e E
mbre
agens
50
7.8. ENERGIA e TEMPERATURAS
I1,2 inércia dos corpos
ω1,2 velocidades angulares
T torque
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Ele
mento
s de M
áquin
as
II -
Fre
ios
e E
mbre
agens
51
mC
ET
[oC]
onde:
E energia dissipada
C calor específico (500 J/kg.oC para aços e ferro fundido)
m massa do freio [kg]
tTa
T
T
T
1
2
máx
t
T
1 2
T
t
T
7.8. ENERGIA e TEMPERATURAS
2. Aumento de temperatura - T.
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Ele
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s de M
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as
II -
Fre
ios
e E
mbre
agens
52
7.9. EMBREAGENS
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Ele
mento
s de M
áquin
as
II -
Fre
ios
e E
mbre
agens
53
Embreagem cônica
7.9. EMBREAGENS
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Ele
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s de M
áquin
as
II -
Fre
ios
e E
mbre
agens
54
7.9. EMBREAGENS
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Ele
mento
s de M
áquin
as
II -
Fre
ios
e E
mbre
agens
55
Embreagem de molas
7.9. EMBREAGENS
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Ele
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s de M
áquin
as
II -
Fre
ios
e E
mbre
agens
56
7.9. EMBREAGENS
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Ele
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s de M
áquin
as
II -
Fre
ios
e E
mbre
agens
57
Embreagem de disco
17.9. EMBREAGENS
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Ele
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s de M
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as
II -
Fre
ios
e E
mbre
agens
58
Embreagens Múltiplas
7.9. EMBREAGENS
1. O freio mostrado na figura exerce a mesma força em ambas as sapatas
e possui as seguintes características:
- pressão máxima suportada: 1 MPa
- diâmetro: 300 mm
- largura da sapata : 32 mm
- coeficiente de atrito: 0.32
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Ele
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s de M
áquin
as
II -
Fre
ios
e E
mbre
agens
59
12
6°
24°
12
6°
Pinos
F F
62 62
11
21
00
50 50
n
a
EXERCÍCIO
Determine:
a) a força exercida F, em
ambas as sapatas.
b) o torque de frenagem.
c) as reações nos pinos.
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Ele
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II -
Fre
ios
e E
mbre
agens
60
c) as reações R1 e R2 nos pinos
b) O torque T de frenagem:
a) Força exercida F:
EXERCÍCIO 1 - RESPOSTAS:
F = 2293 N
Ttotal = 528.5 N.m
R1 = 5031 N
R2 = 863.4 N
Sapata direita:
Sapata esquerda:
(auto-travante)
(não auto-travante)
Obs.:
Invertendo-se a posição do pino, a sapata esquerda torna-se auto-travante e o torque
seria, então igual ao da sapata direita.
TTotal = (2 x 366) = 732 N.m Acréscimo de 30% na capacidade de frenagem.
12
6°
24°
12
6°
Pinos
F F
62 62
11
21
00
50 50
n
a