Osamu Yoshioka

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Text of Osamu Yoshioka

  • OSAMU YOSHIOKA

    ANLISE DOS EFEITOS DAS DEFORMAES ELSTICAS DAS SAPATAS NA DISTRIBUIO DE PRESSO DE UM FREIO A TAMBOR

    Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia Mecnica da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para obteno do diploma de Engenheiro Mecnico.

    Orientador: Prof. Dr. Ney Francisco Ferreira

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    ANLISE DOS EFEITOS DAS DEFORMAES ELSTICAS DAS SAPATAS NA DIS-TRIBUIO DE PRESSO DE UM FREIO A TAMBOR

    por

    Osamu Yoshioka

    ESTA MONOGRAFIA FOI JULGADA ADEQUADA COMO PARTE DOS RE-QUISITOS PARA A OBTENO DO TTULO DE

    ENGENHEIRO MECNICO APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELA BANCA EXAMINADORA DO

    DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

    Prof. Dr. Gilberto Dias da Cunha Coordenador do Curso de Engenharia Mecnica

    rea de Concentrao: Projeto e Fabricao

    Orientador: Prof. Dr. Ney Francisco Ferreira

    Comisso de Avaliao:

    Prof. Dr. Eduardo Perondi

    Prof. Dr. Joyson Luiz Pacheco

    Porto Alegre, 18 junho de 2007.

    Universidade Federal do Rio Grande do Sul Escola de Engenharia

    Departamento de Engenharia Mecnica

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    AGRADECIMENTOS

    Em primeiro lugar agradeo a Universidade Federal do Rio Grande do Sul por seu ensino pblico e de qualidade;

    ao meu orientador, Prof. Ney Francisco Ferreira que me instruiu na realizao deste trabalho;

    aos professores que se dedicaram na nossa formao acadmica nesses cinco anos;

    aos meus amigos que promoveram muitos momentos de alegria nesta faculdade;

    e em especial aos meus pais, Tadao Yoshioka e Nobuko Yoshioka, e s minhas irms, Akie, Ayumi e Miyuki, pelo incentivo, carinho e apoio nesses anos.

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    O rio atinge seus objetivos porque aprendeu a contornar obstculos.

    Lao Tzu

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    YOSHIOKA, O. Anlise dos Efeitos das Deformaes Elsticas das Sapatas na Distribuio de Presso de um Freio a Tambor. 2007. 14 folhas. Monografia (Trabalho de Concluso do Curso de Engenharia Mecnica) Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2007.

    RESUMO

    Nas avaliaes da distribuio de presso de contato na interface entre as lonas e o tambor de um freio usual utilizar a anlise convencional que considera que as sapatas e o tambor do freio no sofrem deformaes elsticas durante a operao de frenagem, resultando em uma distribuio de presso em forma senoidal. Entretanto, estudos recentes que incluem a flexibilidade dos componentes do freio vm demonstrando que a distribuio de presso apresenta algumas regies onde a presso de contato mais elevada. Assim, este trabalho tem por objetivo demonstrar as influncias das deformaes elsticas das sapatas na distribuio de presso de contato atravs da utilizao do mtodo dos elementos finitos e, a partir disso, realizar anlises a fim de ajustar a distribuio de presso atravs da modificao da rigidez estrutural das sapatas. A obteno de uma distribuio de presso de contato mais uniforme garante uma maior uniformidade do desgaste do material de atrito, aumentando o tempo de vida til das lonas de freio.

    PALAVRAS-CHAVE: Freio a tambor, presso de contato, mtodo dos elementos finitos.

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    YOSHIOKA, O. Analysis of the Effect of the Elastic Deformations of Shoes on the Pressure Distribution of a Drum Brake. 2007. 14 folhas. Monografia (Trabalho de Concluso do Curso de Engenharia Mecnica) Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2007.

    ABSTRACT

    On evaluations of contact pressure distribution at the interface between brake lining and drum of a brake, it is typical to use the conventional analysis that considers that there are no elastic deformations of the brake shoes and the drum throughout the brake operation, resulting in a sinusoidal pressure distribution. However, recent studies, that include the flexibility of the brake components, have shown that the pressure distribution presents some regions in which the contact pressure is effective higher. Thus, the main objective of this work is to demonstrate the influences of the elastic deformations of the brake shoes in contact pressure distribution using the finite elements method and then, to make some analyses to adjust the pressure distribution through the modification of the structural rigidity of the brake shoes. The obtaining of a more uniform contact pressure distribution contribute in a more uniform wear of friction material, providing a longer life to the brake lining.

    KEY-WORDS: Drum Brake, Finite Elements Method, Pressure Distribution, Brake Shoe.

  • NDICE

    1. INTRODUO 1 2. REVISO BIBLIOGRFICA 2

    2.1. Generalidades Sobre Sistemas de Freio 2 2.2. Anlise Convencional da Distribuio de Presso em Freios a Tambor 3 2.3. Anlise Modificada 5

    3. METODOLOGIA E MODELOS 6 4. RESULTADOS 8

    4.1. Validao do modelo 8 4.2. Efeitos da flexibilidade da sapata 9 4.3. Aumento da rigidez atravs da mudana de geometria 10 4.4. Verificao da variao da distribuio de presso na direo axial 11

    5. CONCLUSES 13 6. SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS 13 7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 14

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    1. INTRODUO

    A alta competitividade da indstria automobilstica tem exigido grandes investimentos em pesquisa e desenvolvimento dos diversos componentes dos veculos a fim de obter alto desempenho aliado reduo de custo de fabricao e segurana. Os freios automotivos se incluem nessa exigncia do mercado, sejam eles voltados para carros esportivos de alta performance ou para carros populares.

    Usualmente os tipos de freios automotivos so a disco e a tambor com sapatas internas. Comparativamente, os freios a tambor so constitudos por um nmero maior de componentes, o que dificulta a sua conservao. Alm disso, devido sua concepo, apresentam menor eficincia frenante. Porm, apresentam menores custos de fabricao, o que os tornam ainda bastante aplicados. Este trabalho abordar somente os freios a tambor, sistemas estes largamente utilizados em veculos comerciais (nibus e caminhes) e no eixo traseiro de alguns veculos leves.

    As anlises tericas convencionais de torque de frenagem utilizadas para freios a tambor so baseadas na hiptese que as sapatas e o tambor do freio possuem rigidez infinita, ou seja, no sofrem deformao elstica durante a operao de frenagem. Alm disso, considera-se que existe contato perfeito na interface entre a lona e o tambor. Essas simplificaes resultam numa distribuio senoidal da presso de contato das lonas no tambor, possibilitando o clculo analtico do torque frenante.

    Entretanto, estudos mostram que a distribuio da presso de contato na interface lona/tambor afetada pela flexibilidade dos componentes e tambm pela forma de contato na interface. Segundo Day et al. (1991), apesar de no existirem mtodos diretos de medio da presso de interface, existem mtodos indiretos como as avaliaes do desgaste da lona que sugerem que a distribuio de presso no segue exatamente uma distribuio senoidal e que existem regies onde a presso de contato muito maior do que em outras. Tais regies podem representar a causa de alguns problemas operacionais e perda de eficincia do sistema, como desgaste prematuro de algumas regies, declnio do torque de frenagem devido diminuio da rea efetiva de contato e aumento do rudo causado pela vibrao do sistema. Day demonstrou, atravs da anlise por elementos finitos, que a distribuio da presso de contato depende basicamente da rigidez da sapata. Resultados similares foram obtidos por Susin (2006) e Susin et al. (2007).

    O objetivo deste trabalho realizar o estudo da distribuio de presso de contato na interface entre a lona e o tambor do freio avaliando a influncia da flexibilidade das sapatas na distribuio de presso e, dessa forma, desenvolver uma metodologia que permita conhecer a distribuio de presso de sistemas existentes e melhorar o procedimento de novos projetos de freios a tambor.

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    2. REVISO BIBLIOGRFICA

    2.1. Generalidades Sobre Sistemas de Freio

    Os sistemas de freios tm com funo principal promover a desacelerao at determinada velocidade ou at a parada completa do veculo, manter o veculo parado ou manter velocidade constante em locais com declives.

    O fenmeno relacionado com o processo de frenagem corresponde principalmente transformao da energia mecnica em energia trmica na qual o atrito produz o torque necessrio para reduzir a velocidade do automvel ao converter a energia mecnica do veculo em calor dissipado. Eventualmente ocorre a transformao de parte dessa energia em vibrao mecnica, sendo que essa situao pode causar excessivo rudo ocasionando desconforto aos usurios do veiculo.

    Quando os freios so muito exigidos, como em frenagens bruscas e em seqncias repetitivas ou prolongadas, a dissipao de calor pode no ser suficiente e ocorre a elevao excessiva da temperatura dos componentes, principalmente do material de atrito. O aquecimento excessivo do material de atrito pode levar diminuio do rendimento do freio em virtude da reduo do coeficiente de atrito do material de frico frente elevao da temperatura, fenmeno conhecido como fade.

    Os freios automotivos so constitudos basicamente de um elemento rotativo (disco ou tambor) e um elemento no rotativo (pastilha ou sapata). A fora de atrito resultante do contato entre esses dois elementos produz o torque frenante que se ope inrcia do veculo.

    No freio a disco, um par de pastilhas dispostas em ambos os lados do disco so pressionadas contra o mesmo atravs da ao de uma fora gerada por um pisto hidrulico ou cuca (sistemas pneumticos). Nesse conjunto, o cliper ou pina suporta as pastil