Do pedal para os almofadas: Sistemas de Freios Explicados

As chances são que seu pé saberá a condição dos freios de um veículo e a qualidade das pastilhas de freio antes que a sua mente coloque tudo junto. Considere isto: Para parar um veículo de 4.000 lb é necessário que um condutor carregue num pedal para gerar fricção nas rodas. O que acontece entre o pedal e as pastilhas pode determinar a pressão que o condutor deve exercer para parar o veículo numa distância segura.

Os engenheiros olham para o sistema de travagem como uma equação. Quando o veículo sai da linha de montagem, o sistema de travagem em ambos os lados da equação é equilibrado, porque as variáveis são conhecidas. Após o veículo ter tido seu primeiro conjunto de pastilhas de freio de reposição, as variáveis mudam, e as entradas podem não corresponder mais às saídas.

Estas mudanças na equação podem vir de pastilhas de freio gastas, defeituosas ou de baixa qualidade.

Equação hidráulica

Um sistema de freio hidráulico transforma e amplifica a força. Ele opera com o princípio simples de que o fluido dos freios não é compressivo (ele comprime se exposto a pressões e temperaturas extremamente altas). Quando a pressão gera numa extremidade do sistema, a mesma quantidade de pressão sai na outra extremidade.

Em um sistema de freio hidráulico, o condutor gera força ao pressionar o pedal do freio. A força é então amplificada pelo pedal, booster e cilindro mestre. O condutor modula a pressão no pedal para parar o veículo entre 20 e 120 libras. Os seres humanos são chamados a usar os seus sentidos para levar um veículo com segurança a uma paragem.

Se o curso do pedal for demasiado longo, o pedal requer demasiada força ou o cinto de segurança sente-se um pouco apertado demais, os clientes subconscientemente fazem a chamada de que os travões precisam da atenção de um profissional.

Fazendo a Matemática

O condutor médio gera confortavelmente um pico de 70 libras de força na pastilha de borracha na extremidade do pedal do travão durante uma paragem moderada. O pedal do freio nada mais é do que uma alavanca mecânica que amplifica a força do motorista.

Relação pedal é o comprimento total do pedal ou a distância do pivô do pedal até o centro do pedal, dividida pela distância do ponto de pivô até onde a haste de empurrar se conecta.

Em veículos mais antigos com um arranjo manual do tambor do disco, a relação do pedal é de 6,2:1. Isto significa que as 70 libras que o condutor aplicou é agora amplificada para 434 libras (6,2 × 70 libras) de força de saída. O problema é que o curso do pedal é bastante longo devido à colocação do ponto pivô e da conexão do cilindro mestre.

Vacuum Brake Booster

Um booster aumenta a força do pedal para que possa ser usada uma relação mais baixa de pedal mecânico. Uma relação mais baixa pode reduzir o curso do pedal e melhorar a modulação. A maioria dos veículos impulsionados a vácuo terá uma relação de pedal mecânico de 3,2:1 a 4:1. O tamanho do diafragma do booster e a quantidade de vácuo gerada pelo motor determinarão quanta força pode ser gerada. A maioria dos motores irá gerar cerca de -8 psi de vácuo (não confundir com polegadas de Hg, ou mercúrio). Se um hipotético booster com um diafragma de 7 polegadas for submetido a -8 psi de vácuo do motor, ele produzirá mais de 300 libras de força adicional.

Se o cilindro mestre tiver um diâmetro de 1 polegada, a área de superfície do pistão será de 0,78 polegadas quadradas. Se você dividir a força de saída de 434 libras pela área de superfície do pistão, você receberá 556 psi (434 libras dividido por 0,78 polegadas) nas portas do cilindro mestre. Nada mal para 70 lbs de esforço humano.

Se você reduzir a área de superfície do pistão, você obterá mais pressão. Isto porque a área de superfície é menor, mas a força de saída do pedal permanece a mesma. Se você usasse um cilindro mestre com um diâmetro de 0,75 polegadas que tenha um pistão com 0,44 polegadas quadradas de superfície do pistão, você obteria 986 psi nas portas do cilindro mestre (434 lbs dividido por 0,44 polegadas). Entretanto, o curso do pedal aumentará.

Vinte libras de força em um pedal de freio podem resultar em 556 psi de fluido de freio indo para as pinças. Então, como é que esta pressão pára um carro? Se as pinças são um desenho flutuante de um único pistão com pistões de 2 polegadas de diâmetro (área de superfície do pistão = 2πR2), nós apenas multiplicamos a área de superfície dos pistões por 556 psi e obtemos 3.419 libras de força de aperto em ambas as pinças frontais!

Fricção e Fluido

Forças de aperto e o coeficiente de atrito estão de um lado da equação, e o torque de frenagem está do outro lado. Se aumentar qualquer uma das variáveis, está a alterar a quantidade de binário que o sistema pode gerar.

As forças de aperto são utilizadas para gerar um atrito que produz binário para parar o veículo. É aqui que entra em jogo o “coeficiente de fricção”. O coeficiente de fricção é calculado dividindo a força necessária para deslizar um objecto sobre uma superfície pelo peso do objecto. Por exemplo, se for necessário 1 lb de força para deslizar uma pastilha de travão de 1 lb sobre um rotor, o coeficiente de atrito entre os dois materiais é de 1,0.

Forças de travagem e o coeficiente de atrito estão de um lado da equação, e o binário de travagem está do outro lado. Se aumentar qualquer uma das variáveis, está a alterar a quantidade de binário que o sistema pode gerar.

Na essência, os engenheiros equilibram o coeficiente de fricção com os tamanhos dos pistões e dos cilindros principais para dar ao veículo a quantidade certa de força de paragem e de sensação do pedal. Se você aumentar ou diminuir o coeficiente de atrito, você pode estar perturbando o equilíbrio.

A Realidade

No nosso exemplo teórico acima, estamos ignorando alguns fatores do mundo real que influenciam a quantidade de força de aperto. A realidade é que nem toda a pressão chega até a interface entre a almofada e o rotor. Alguns se perdem com a expansão das mangueiras de freio. Mas, a maioria dos fatores que podem aumentar a força do pedal ou o curso do pedal não são hidráulicos – são mecânicos.

Even se toda a pressão chega ao pistão da pinça, parte da força gerada é perdida à medida que a pinça se flexiona. Se for um projeto de calibrador flutuante, o movimento do calibrador sobre os deslizamentos necessários para centralizá-lo no rotor pode exigir um movimento extra de fluido. Se as corrediças ou a pastilha forem agarradas, isto pode reduzir a força de aperto e causar forças de aperto desiguais na pastilha de freio. Isto reduz a pegada do material de fricção no rotor e aumenta a força necessária para gerar força de frenagem suficiente.

A própria pastilha de freio pode aumentar a força e o curso do pedal. E, se a placa traseira não tiver rigidez suficiente, ela irá flexionar. Isto influencia os componentes hidráulicos de duas maneiras. Primeiro, a força hidráulica está sendo usada para flexionar a placa traseira da pastilha do freio. Segundo, quando a pastilha flexiona, ela altera as forças de fixação no rotor. As bordas da pastilha podem ter cargas de aperto menores do que o centro da pastilha. Isto reduz a quantidade de torque de frenagem que é gerada. Mas, também pode causar ruído de fricção devido à instabilidade de fricção na interface da pastilha e do rotor. Se a pastilha foi comprometida pela delaminação do material de atrito da placa traseira, a quantidade de torque que a pastilha de freio pode gerar é reduzida. Esta redução no torque requer que o motorista empurre com mais força o pedal do freio.

A única coisa que nunca muda na equação de frenagem é o elemento humano atrás do pedal. Um condutor só consegue colocar tanta força no pedal e a sua mente só consegue reagir com tanta rapidez numa situação de emergência. Se a mente e o pé estiverem a combater um problema com as pastilhas ou com o sistema hidráulico, esperemos que acabem na sua oficina antes de ocorrer um acidente.