Embreagem e Freio - Acoplamentos por Atrito e Transmissões Mecânicas

MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO EMBREAGEM e FREIO 1 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Os acoplamentos por atrito atuam quando dois materiais a velocidades diferentes se atritam Aquele que tem a capacidade de manter a sua velocidade determinará a velocidade do outro Se o elemento que determina a velocidade está estático o acoplamento é chamado de FREIO caso contrário de EMBREAGEM O uso de freios e embreagens por atrito fazem com que o eixo que está sendo acionado assuma a velocidade do outro gradualmente Acoplamentos com encaixe mecânico rígido não poderiam ser utilizados já que a variação instantânea de velocidade implicaria num choque mecânico de grande magnitude levando à falha por sobrecarga Se o esforço a ser transmitido for muito grande a aderência entre as superfícies limitará a transmissão fazendo com que as superfícies escorreguem e o esforço não passe pelo acoplamento Esse é o princípio que norteia o uso de acoplamentos de atrito como limitadores de torque Quando os eixos acoplam o coeficiente de atrito estático passa a ser o fator que limita o esforço a ser transmitido 1 Introdução 2 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 11 Embreagens a Disco Para Uso Com Transmissões Mecânicas Transmissões mecânicas são utilizadas entre a fonte de potência o motor e a carga que é onde a energia está sendo consumida Nos casos mais simples são redutores de velocidade de um estágio que servem também para aumentar o torque disponível no motor permitindo o uso de motores menores para o acionamento da carga Nos casos mais complexos as transmissões não tem apenas uma relação fixa de transmissão possuem diversas combinações possíveis que permitem que a velocidade seja aumentada ou reduzida dependendo da saída desejada Algumas transmissões permitem que a alteração da relação de transmissão seja feita de forma gradual como as CVTs outras não permitem a variação gradual O tipo mais comum de transmissão é por engrenagens utilizada em veículos por exemplo Nesse tipo de transmissão o torque do motor é transmitido até a saída da transmissão por um conjunto de pares de engrenagens conjugadas Para que a relação de transmissão seja alterada é necessário que um par ou mais do conjunto seja desacoplado e que outro par ou pares sejam acoplados Como as engrenagens são rígidas sistemas mecânicos complexos fazem com que a velocidade tangencial das engrenagens que serão acopladas 1 Introdução 3 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 11 Embreagens a Disco Para Uso Com Transmissões Mecânicas se aproximem Ainda assim os dentes sofreriam todo o choque causado pelo súbito acoplamento da carga ao motor numa nova relação de transmissão a menos que essas velocidades fossem absolutamente iguais Para evitar esse choque o motor é desacoplado da linha de transmissão no instante da alteração da relação de transmissão mudança de marcha com o uso de uma embreagem Como o veículo possui inércia maior que o motor a sua velocidade será relativamente estável durante o curto período da troca de marchas e o eixo de acionamento da transmissão entrada pode ser levado até uma velocidade compatível com a do veículo Nesse instante o eixo de entrada da transmissão estará acoplado por engrenagens ao eixo de saída o eixo do motor poderá estar em rotação diferente Com o alívio da embreagem pelo condutor do veículo a embreagem serve de acoplamento entre o motor e a transmissão se as rotações forem diferentes os elementos de atrito da embreagem deslizarão até igualarem as velocidades dos eixos A figura a seguir mostra um tipo simples de embreagem automotiva Este tipo trabalha a seco ou seja os discos não estão embebidos em óleo o que serviria para resfriar o conjunto 1 Introdução 4 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 11 Embreagens a Disco Para Uso Com Transmissões Mecânicas 1 Introdução A embreagem ilustrada ao lado está posicionada de forma que o volante preso ao eixo do motor está transmitindo o torque através de parafusos à placa de pressão As molas normalmente de 6 a 10 pressionam essa placa contra o disco que também se apoia no volante do lado oposto O disco é identificado como os planos de fricção O conjunto volanteeixo do motor funciona como um cubo no qual é colocado um rolamento para apoiar o eixo de saída da embreagem que vai para a transmissão Assim ambos os eixos permanecem alinhados e podem trabalhar em rotações diferentes quando a embreagem não está transmitindo torque A embreagem acionada desacopla os eixos e quando liberada acopla os eixos 5 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 11 Embreagens a Disco Para Uso Com Transmissões Mecânicas Atualmente o tipo mais comum de embreagem automotiva não utiliza molas helicoidais mas um tipo especial de mola prato A figura abaixo mostra à esquerda a mola prato e à direita um disco de embreagem As molas centrais atuam para amortecer choques torcionais Um tipo de embreagem utilizada em caminhões de pequeno porte em caminhonetes máquinas agrícolas e outros dispositivos mecânicos é a de múltiplos discos Tem capacidade de transmissão de torques mais elevados ocupa um espaço radial menor porém um espaço axial maior Com uma dimensão radial reduzida é mais difícil dissipar o calor gerado utilizando óleo para o resfriamento Desta forma os coeficientes de atrito são reduzidos o que exige a aplicação de uma força axial maior 1 Introdução 6 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 12 Embreagens Cônicas Embreagens cônicas são utilizadas quando se deseja grande amplificação da força de aplicação sem que haja limitação axial para deslocamento O princípio básico é o da cunha quando a parte chamada cone deslocase para a esquerda da figura surge uma pressão nas superfícies de contato que aumenta conforme o deslocamento axial aumenta Esse esforço gerado depende da força aplicada e do ângulo do cone a 1 Introdução A grande vantagem desse tipo de embreagem é permitir um grande esforço normal nas superfícies de contato sem um apreciável esforço de engate A desvantagem é o movimento axial maior e o risco de engripamento 7 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 13 Freios à Disco Um freio à disco é basicamente uma embreagem à seco na qual um dos elementos trabalha em rotação nula Assim o disco que normalmente é o eixo ligado ao eixo girante é acoplado a um eixo com velocidade nula através de uma pinça presa à estrutura do veículo A pinça pode ter acionamento pneumático como em veículos ferroviários e alguns freios de caminhões e ônibus hidráulico como na maioria dos veículos comerciais de pequeno porte Como grandes energias são dissipadas na frenagem é necessária uma área de resfriamento Assim as pastilhas ocupam uma pequena parcela da área total do disco Para facilitar a reposição o material de atrito fica nas pastilhas enquanto o disco é feito de material metálico Os discos podem ser sólidos ou ventilados por aletas internas ou por furos na superfície de atrito 1 Introdução 8 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 14 Freios à Tambor com Sapata Externa Normalmente é composto de uma ou duas sapatas simetricamente dispostas em torno de um tambor que é ligado à carga a ser freada A figura abaixo apresenta um exemplo do freio com duas sapatas usado em sistemas de elevação e também um freio de locomotiva com sapata única Em ambos os casos uma força externa comprime a sapata que contém o elemento de atrito contra a superfície externa do tambor que normalmente é feita de material metálico O calor é dissipado através do próprio tambor de freio 1 Introdução 9 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 15 Freios à Tambor com Sapata Interna O freio de tambor de sapatas internas é usado no eixo traseiro de carros ou como freio de caminhões e ônibus Consiste de duas ou mais sapatas que são aplicadas contra a face interna de um tambor de freios 1 Introdução A figura mostra as partes que compõem o freio O cilindro de freio recebe pressão hidráulica e aciona os pistões que fazem as sapatas avançarem contra o tambor As sapatas estão articuladas no mecanismo de regulagem que move a lona para mais perto do tambor conforme esta vai se desgastando 10 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 15 Freios à Tambor com Sapata Interna A figura abaixo mostra um tambor de freio típico com o ajustador de folga e uma sapata mostrados em detalhe Conforme a sapata é desgastada a alavanca do ajustador se move A alavanca está apoiada em uma catraca que gira quando a primeira se move Com o movimento da catraca a rosca de um parafuso espaçador também gira distanciando o ponto de ancoragem das sapatas e fazendo com que estas fiquem mais próximas do tambor Essa proximidade controlada é importante para que o tempo de resposta do sistema seja reduzido 1 Introdução 11 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Freios e embreagens são essencialmente o mesmo dispositivo se os elementos conectados podem girar então é chamado de embreagem se um dos elementos gira e o outro permanece fixo então é chamado de freio As embreagens são acoplamentos especificamente usados quando necessitase que haja a conexão e a desconexão das árvores sem a necessidade de desmontar o acoplamento Os freios e as embreagens podem ser classificados de várias maneiras Uma delas é definida pela forma de atuação Embreagens de engate ou de contato positivo Embreagens de atrito Embreagens de sobrevelocidade Embreagens magnéticas Embreagens de acoplamento fluídico 2 Tipos de Freios e Embreagens 12 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 21 Embreagens de Contato Positivo As embreagens de contato positivo são aquelas em que um cubo é conectado ao outro através do encaixe de um pino um dente ou um ressalto qualquer As embreagens por adaptação de forma só podem ser conectadas a baixas velocidades Mandíbula nmáx 60 rpm Dentes nmáx 300 rpm e em sincronismo ou seja quando as duas árvores possuem a mesma velocidade A vantagem deste tipo de embreagem está na alta capacidade de transmissão de torques elevados sem escorregamento 2 Tipos de Freios e Embreagens 13 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 22 Embreagens de Atrito As embreagens de atrito são aquelas em que o acoplamento se faz através do atrito entre duas ou mais superfícies permitindo o acoplamento mesmo que não haja sincronismo A superfície de atrito pode ser unitária ou múltipla Discos múltiplos geram mais calor e são recomendados para cargas altas e baixas velocidades Embreagens de atrito podem operar secas ou molhadas em banho de óleo Isto reduz o coeficiente de atrito mas melhora a transferência de calor 2 Tipos de Freios e Embreagens 14 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 23 Embreagens de Sobrevelocidade de sentido único Operam automaticamente com base na velocidade relativa de dois elementos permitindo rotação relativa em uma só direção 2 Tipos de Freios e Embreagens 15 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 24 Embreagens Centrífugas Operam automaticamente quando a velocidade do eixo excede certo valor Assim um motor de combustão interna pode ficar em ponto morto desacoplado das rodas e quando o injetor de combustível se abre e a velocidade do motor aumenta a embreagem acopla às rodas Este tipo de embreagem é comum em karts 2 Tipos de Freios e Embreagens 16 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 25 Embreagens Magnéticas As embreagens de atrito operadas eletromagneticamente tem vantagens como tempos de resposta rápidos facilidade de controle partida e parada suaves podendo trabalhar acopladas ou desacopladas 2 Tipos de Freios e Embreagens Histerese Magnética Embreagem de Atrito Operada Magneticamente 17 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 26 Embreagens Fluídicas As embreagens fluídicas transmitem o torque por meio de um fluido tipicamente um óleo Neste caso um impulsor que possui um conjunto de pás está ligado ao eixo motor Ao girar ele produz momento angular ao óleo que o circunda Uma turbina com pás similares é fixada ao eixo de saída e gira por causa do movimento que a impacta Um acoplamento fluídico tem como principais virtudes transmitir movimentos com partidas muito suaves e alta absorção de choques Sempre há escorregamento relativo assim os eixos nunca giram exatamente a mesma velocidade Por outro lado pode trabalhar com 100 de escorregamento quando a turbina trava O cisalhamento do fluido gerará calor A transmissão deste calor é um fator importante ao se dimensionar este tipo de embreagem Um torque sempre será transmitido por este tipo de embreagem diferentemente de uma embreagem de atrito que quando desacoplada não transmite torque algum Assim para travar a turbina é preciso o uso de um freio 2 Tipos de Freios e Embreagens 18 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 19 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Freios e embreagens são utilizados extensivamente em máquinas de produção de todos os tipos além de veículos e outros equipamentos Permitem que uma carga de alta inércia seja movimentada por um motor elétrico menor que o que seria necessário se fosse acoplado diretamente Servem para manter um torque transmitido constante ou para evitar que sobrecargas sejam transmitidos a outros elementos da transmissão Freios a ar de caminhões e trens são do tipo normalmente acoplados a pressão do ar libera o freio assim se a carreta ou vagão se soltar do veículo trator os freios acionam automaticamente Assim as embreagens e freios podem ser usadas com diversas finalidades dentre elas destacamse Alívio de carga de partida Reversão de movimento Mudança de velocidade Segurança 3 Aplicações de Embreagens e Freios 20 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Os fabricantes de embreagens e freios especializados fornecem uma quantidade extensa de informação com relação à capacidade em termos de torque e potência dos diferentes modelos disponíveis Eles também definem procedimentos de especificação e seleção baseados em condições ambientais de aplicação tais como tipo de torque de entrada e instalação Fatores de Serviço não são padronizados e devem ser seguidos de acordo com as especificações de cada fabricante Uma embreagem ligeiramente pequena para determinada aplicação irá escorregar e superaquecer Uma embreagem grande adiciona inércia ao sistema e pode sobrecarregar o motor que deve acelerála Localização da Embreagem pode ser definida pela função da embreagem No caso da embreagem automotiva a embreagem só pode estar localizada entre o eixo do motor e a transmissão já que sua função é exatamente desacoplar o motor para a troca de marchas Em máquinas com redutores de velocidade a questão fica em colocar a embreagem no eixo de baixa ou de alta velocidade O lado de menor velocidade exige uma embreagem maior pois sofre torque mais elevado O lado de maior velocidade permite embreagens menores porém deve dissipar mais calor devido a alta velocidade A opinião da maioria dos especialistas pendem para a localização no lado de baixa velocidade 4 Especificação de Embreagens 21 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Os materiais para partes estruturais de embreagens e freios tais como os discos e tambores são geralmente feitos de ferro fundido ou aço As superfícies de atrito são geralmente forradas com um material que possua um bom coeficiente de atrito e com resistência à compressão e à temperatura suficientes para a aplicação Forrações ou guarnições podem ser moldadas tecidas sinterizadas ou de material sólido A tabela abaixo mostra algumas propriedades friccionais térmicas e mecânicas de materiais utilizados como forração em embreagens 5 Materiais para Embreagens 22 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO A embreagem de disco mais simples consiste em dois disco um com material de forração de alto atrito pressionado axialmente com uma força normal que gera a força de atrito necessária para transmitir torque como na figura abaixo 6 Embreagens de Disco 23 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO A pressão entre as superfícies da embreagem pode ser aproximada por meio de uma distribuição uniforme sobre a superfície Neste caso a embreagem terá um desgaste maior no diâmetro externo já que ele é proporcional à velocidade e à pressão A maior perda de material no diâmetro externo fará aumentar a pressão nos diâmetros mais internos pressão nãouniforme e a embreagem se aproximará da condição de desgaste uniforme Assim uma embreagem flexível se aproxima mais da condição de pressão uniforme quando nova mas tenderá a condição de desgaste uniforme quando em uso Uma embreagem rígida se aproxima mais rapidamente de uma condição de desgaste uniforme Os cálculos relativos a cada hipótese de desgaste são distintos e a condição de desgaste uniforme produz uma classificação mais conservativa 6 Embreagens de Disco 24 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Hipótese de Pressão Uniforme Considerando um anel elementar na superfície da embreagem com largura dr sob ação de uma pressão p é possível determinar a força elementar que age sobre ele Integrando esta força elementar entre os raios ri e ro é possível obter a força total F Da mesma forma podem ser obtidos o torque de atrito no elemento de anel com coeficiente de atrito m e o torque total T para N faces de atrito Combinando as equações de F e T é possível obter a seguinte relação 6 Embreagens de Disco p rdr dF 2 2 2 2 i o r r r p r p rdr F o i r dr p dT 2 2 m r N r p T i o 3 2 3 3 m 01 2 2 3 3 3 2 i o i o r r r r F N T m 25 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Hipótese de Desgaste Uniforme A razão de desgaste W constante é suposta proporcional ao produto da pressão p e velocidade V Com isso a pressão máxima só poderá ocorrer no raio interno ou seja A força axial F é obtida pela integração da força elementar O torque T também é obtido pela integração do torque elementar Combinando as equações de F e T é possível obter a seguinte relação 6 Embreagens de Disco constante pV W 02 V r constante p r K pmáx ri K r r p p máx i i o máx i r r r p F 2 2 2 i o máx i r r r p N T m 2 i o r F r N T m 26 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Hipótese de Desgaste Uniforme Mantendo constantes os valores do coeficiente de atrito e da força normal é possível observar que o máximo torque será obtido quando A hipótese de desgaste uniforme produz uma capacidade de torque menor que a da pressão uniforme O desgaste inicial alto nos raios maiores muda o centro de pressão radialmente para o centro onde o braço de momento é menor para a força resultante de atrito As embreagens são calculadas normalmente pela hipótese de desgaste uniforme Assim elas possuirão uma capacidade maior quando novas porém irão terminar próximo da capacidade estimada em projeto uma vez que se desgastem 6 Embreagens de Disco 03 o i r r 0 577 27 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Este tipo de embreagem se caracteriza pelo seu ângulo de cone a Usando o mesmo procedimento de cálculo desenvolvido para as embreagens de disco é possível determinar uma área de contato com espessura lateral dr mas com espessura real drsena Essa é a única diferença na modelagem entre as duas embreagens Desta forma dividese as equações obtidas anteriormente pelo seno do ângulo de cone a 6 Embreagem Cônica 01b 2 2 3 3 sin 3 2 i o i o r r r r F T a m 28 02b 𝑇 𝑁 𝜇 𝐹 𝑠𝑒𝑛𝛼 𝑟𝑜 𝑟𝑖 2 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 6 Embreagem Cônica 29 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Freios ou embreagens de tambor forçam o material de atrito sobre a circunferência de um cilindro Estes dispositivos são mais frequentemente usados como freio do que como embreagem A parte à qual o material de atrito é fixado é chamado de sapata de freio e a parte contra a qual atrita tambor de freio A configuração mais simples é o freio de banda no qual uma sapata flexível é enrolada ao redor da maior parte da circunferência do tambor e apertada contra ele Uma configuração mais comum e eficiente é o de sapatas rígidas forçadas contra o tambor Neste caso podese dividir a análise em dois tipos freio de sapata curta ângulo de contato 45º e freio de sapata longa 7 Freios de Tambor 30 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Freio de Sapata Curta Considerando que o ângulo de contato q é pequeno 45º podese considerar que a força distribuída entre a sapata e o tambor é uniforme podendo ser substituída por uma força concentrada Fn assim Sendo w a largura da sapata de freio e q o ângulo em radianos A força de atrito Ff m Fn sendo m o coeficiente de atrito da guarnição E o torque T Ff r Assim fazendo o somatório de momentos no ponto O é possível obter o valor de Fa e após as forças de reação no pivô O 7 Freios de Tambor 04 w r p F máx n q a c F b F n a m f x F R a n y F F R Sinal superior auto energizante 31 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Autoenergização É possível observar na figura abaixo que com a rotação do tambor mostrada o momento de atrito cFf é aditivo ao momento aFa Isso é conhecido como auto energização Assim qualquer força Fa aplicada gerará um atrito que contribuirá com o torque de frenagem Contudo se a rotação do tambor for invertida então o momento de atrito se opõe ao torque de frenagem e neste caso o freio é considerado auto desernegizante 7 Freios de Tambor 32 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Autotravamento Observando a equação 04 verificase que se o produto mc b a força Fa será negativa Dizse então que o freio é autotravante Assim se a sapata tocar o tambor irá agarrálo e traválo Esta é uma condição não desejada com exceção das aplicações de travamento de retorno descritas nas embreagens de sobrevelocidade 7 Freios de Tambor 33 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Freio de Sapata Longa Se o ângulo de contato entre a sapata e o tambor exceder cerca de 45º então a hipótese de distribuição uniforme de pressão sobre a superfície da sapata será incorreta uma vez que nenhuma sapata de freio é infinitamente rígida e isso afetará a distribuição de pressão Uma análise que leve em conta efeitos de deflexão é muito complicada e não é realmente assegurada neste caso A medida que a sapata se desgasta ela gira em torno do ponto O fazendo com que o ponto B se desloque mais que o ponto A que está mais próximo do centro de giro A pressão em qualquer ponto da sapata também irá variar em proporção à sua distância de O Supondo que o tambor gire a velocidade constante e que o desgaste seja proporcional ao trabalho de atrito feito isto é o produto pV Assim em qualquer ponto na sapata a pressão normal p será proporcional a sua distância do ponto O 7 Freios de Tambor q q sin sin b p 34 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Freio de Sapata Longa Como a distância b é constante então Se a máxima pressão permissível no material de forração for pmáx Tabela 151 então a constante K pode ser definida como 7 Freios de Tambor Ksinq p máx pmáx K sinq Sendo q o mínimo entre q2 e 90º Fax Fay x ay 35 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Freio de Sapata Longa Assim a pressão p ao longo da sapata é definida por A equação 05 demonstra que a força de atrito é pequena para pequenos valores de q é ótima quando q 90º e diminui para ângulos menores que 90º Assim pouco se ganha utilizando q1 10º e q2 120º Para obter a força total na sapata a função de pressão deve ser integrada sobre o intervalo angular da mesma resultando nas equações 7 Freios de Tambor 05 q q sin sin máx pmáx p 06 1 2 1 2 sin 2 4 sin 2 1 2 1 sin q q q q q máx máx F p wrb M n 07 1 2 2 2 1 2 sin 2 sin cos cos sin q q q q q m b r p wr M máx máx Ff Sendo w a largura da sapata de freio 36 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Freio de Sapata Longa A soma dos momentos com relação ao ponto O produz Onde o sinal superior é para um freio auto energizante e o inferior para um auto desenergizante Poderá ocorrer auto travamento só se o freio for auto energizante e se MFf MFn O torque de frenagem é obtido integrando o produto da força de atrito Ff e o raio r do tambor 7 Freios de Tambor 08 a M M F f n F F a q m q q p wr rd T 2 1 09 2 1 2 cos cos sin q q q m máx pmáx w r T 37 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 7 Freios de Tambor 10 ax máx máx x F p w r R 1 2 1 2 1 2 2 2 sin 2 4 sin 2 1 2 1 2 sin 2 sin sin q q q q m q q q 11 ay máx máx y F p w r R 1 2 1 2 1 2 2 2 sin 2 4 sin 2 1 2 1 2 sin 2 sin sin q q q q q q m q Freio de Sapata Longa Interna As forças de reação Rx e Ry são encontradas a partir da soma das forças nas direções x e y Os sinais superiores de e aplicamse à rotação de A para O e os sinais inferiores à rotação no sentido contrário 38 b a A O MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO 7 Freios de Tambor 12 ax máx máx x F p w r R 1 2 1 2 1 2 2 2 sin 2 4 sin 2 1 2 1 2 sin 2 sin sin q q q q m q q q 13 ay máx máx y F p w r R 1 2 1 2 1 2 2 2 sin 2 4 sin 2 1 2 1 2 sin 2 sin sin q q q q q q m q Freio de Sapata Longa Externa As forças de reação Rx e Ry são encontradas a partir da soma das forças nas direções x e y O sinal superior de aplicase à rotação horária e os sinais inferiores à rotação no sentido antihorário 39 b a A O MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Freio de Sapata Longa Interna A maior parte dos freios de tambor e praticamente todos os de uso automotivo utilizam sapatas internas que se expandem contra a face interna do tambor Tipicamente são usadas duas sapatas pivotadas nas extremidades de um parafuso ajustável e forçadas contra o tambor por meio de um cilindro hidráulico de terminação dupla Molas leves mantêm as sapatas afastadas do tambor de freio quando desativadas Geralmente uma das sapatas é autoenergizante numa direção de rotação e a outra na direção oposta A roda do automóvel é fixada diretamente no tambor de freio A análise do freio de sapata interna é a mesma que aquela do freio de sapata externa 7 Freios de Tambor 40 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Freio de Cinta Outro tipo de freio é o freio de cinta utilizado principalmente em máquinas de levantamento Consiste basicamente de uma correia plana envolta num tambor e que impede o seu movimento quando acionada A figura abaixo ilustra as partes que compõem este tipo de freio a força de acionamento F e as forças nas extremidades da correia P1 e P2 Para o sentido de rotação ilustrado P1 é maior que P2 e a diferença entre seus módulos resulta no atrito entre a correia e o tambor 7 Freios de Tambor 41 Correia de largura w Rotação Plano de Corte para DCL P1 P1 P2 P2 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Freio de Cinta A figura anterior mostra um segmento da correia em equilíbrio A força dN pode ser obtida como função da carga transmitida no elemento A força de atrito elementar se relaciona com a normal assim Substituindo dN em dP fica Integrando a equação acima entre os ângulos inicial e final da correia 7 Freios de Tambor 14 q q P d P d dN 2 2 dN dP m m dq dP P m 2 1 e P P q m 0 1 2 d P dP P P 42 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Freio de Cinta Em cada segmento a força normal também pode ser dada pela pressão e pela área de contato no segmento conforme a equação abaixo Pela equação acima como w largura da cinta e r raio do tambor são constantes a pressão p também será máxima na região onde P é máxima ou seja junto à P1 assim O efeito da força de aplicação F pode ser amplificado pelo deslocamento do ponto de pivotamento A figura a seguir mostra o arranjo que leva a essa amplificação Para esse arranjo é válida a equação de equilíbrio 16 Quanto maior for a cota s menor será a força F necessária para acionar o mecanismo desde que o segmento de cinta aliviado não seja maior do que o solicitado pela alavanca 7 Freios de Tambor 15 p w r dq dN w r p P max 1 43 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Freio de Cinta 7 Freios de Tambor 16 c P s P a F 1 2 44 Correia de largura w Rotação 17 2 1 P r P T O torque de frenagem obtido em freios de cinta é obtido pela equação 17 MEC0288 PROJETO DE SISTEMAS MECÂNICOS 2 Prof Me Eng Mec Vagner Grison EMBREAGEM E FREIO Referência Bibliográfica LINGAIAH K Machine Design Databook Editora Mc GrawHill 2ª edição 2001 NORTON Robert L Projeto de Máquinas Editora Bookman 2ª edição 2006 SHIGLEY Joseph E etall Projeto de Engenharia Mecânica Editora Bookman 7ª edição 2005 45