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Um estudo aprofundado sobre o dimensionamento de freios a disco para karts, explorando a evolução histórica dos sistemas de freios, os atuadores hidráulicos e mecânicos, a transferência de carga e a mecânica da frenagem. Os conceitos teóricos e práticos, incluindo equações e cálculos detalhados, para o projeto de freios a disco de cáliper fixo, com foco em dois casos: karts com freio apenas na traseira e karts com freio na dianteira e na traseira. O estudo inclui análises de desempenho e comparações com sistemas de freios tradicionais, fornecendo insights valiosos para o desenvolvimento de sistemas de freios eficientes e seguros para karts.
Tipologia: Trabalhos
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Trabalho de conclusão de curso apresentado à disciplina TCC0001 do Curso de Engenharia Mecânica do Centro de Ciências Tecnológicas da Universidade do Estado de Santa Catarina, como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Bel. Lucas Martin
“You miss 100% of the shots you don’t take”
- Wayne Gretzky
Um dos momentos mais importantes da minha vida acadêmica acaba de chegar ao fim e inúmeros nomes me vieram à cabeça quando comecei a pensar nas tantas pessoas a quem quero agradecer por me ajudar, de forma direta ou indireta, a ter chegado neste ponto. Primeiramente agradeço a Deus por ter me dado forças em todos os momentos da minha vida, não só nos bons momentos, mas também nos momentos difíceis pelos quais passamos durante nossa jornada na universidade. Gostaria de agradecer imensamente também a toda minha família, que estará para sempre em meu coração; minha mãe Liliane e meu pai Mauricio, que estão sempre ao meu lado, sendo tudo o que uma mãe e um pai podem ser de melhor; meu irmão Tiago, meu amigo, companheiro para todos os momentos, com quem desde criança me divirto e continuarei me divertindo; minha namorada Yasmin, que não é apenas uma namorada, mas também minha melhor amiga, uma parceira para toda a vida, com quem posso e sei que sempre poderei contar nos momentos bons e também naqueles momentos em que mais precisamos de alguém para nos confortar; e também ao meu animal de estimação, Lindinha, ou Chiquinha ( in memorian ), que nos deixou há pouco tempo, mas sei que está lá em cima olhando por todos nós depois de 14 anos de alegrias, brincadeiras e companheirismo, deixando sua marca nos corações de todos que a conheceram como eu a conheci e provando que os cachorros são, sim, o melhor amigo do homem. Agradeço também a todos os amigos, especialmente ao Vitor Hugo Koschnik e aos da turma de 2013/1, com quem criei fortes amizades e são sinônimos de parceria, e também aos amigos de outras turmas que fiz ao longo dos meus semestres na UDESC, que considero como se fossem da minha própria turma. Deixo também meu agradecimento aos professores e às equipes que me auxiliaram neste meu período na UDESC. Aos professores Lucas Martin, meu orientador de TCC; José de Oliveira e Nelson Camargo, meus orientadores de Iniciação Científica; e Pedro Jr., meu orientador de monitoria. Aos amigos das equipes VELLEV e Velociraptor Baja, por contribuírem com conhecimento e material para produzir este trabalho. Por fim e, com certeza, não menos importante, aos amigos não só do Automóvel Kart Clube de Brusque, mas de outros cantos do Brasil, Maurício Vechi (meu pai), Aknaton Camargo, Roberto Bianchini e inúmeras outras pessoas que contribuíram de alguma forma para este trabalho e também para a construção do kart da Equipe VELLEV.
Sistemas de frenagem estão presentes em vários mecanismos utilizados no cotidiano das pessoas, sejam nos elevadores, máquinas industriais e, mais comumente, nos veículos de passeio. Desde a invenção da roda, a necessidade de frenagem foi observada e, desde então, sistemas têm sido desenvolvidos a fim de obter este efeito da forma mais eficiente possível.
Atualmente, existem diversos sistemas de freio, que podem ser acionados de várias formas. Um dos sistemas mais usuais é o freio a disco, acionado hidraulicamente, que é usado tanto em carros populares quanto em carros esportivos e inclusive carros de competição.
Entretanto, para cada veículo os freios devem ser diferentes no sentido da sua capacidade de frenagem. Um carro de passeio com um sistema de freios de um carro de competição será superdimensionado, assim como um carro de competição com um sistema de frenagem de um carro de passeio será subdimensionado. Por motivos como este é que se observa a necessidade de dimensionar cada sistema de acordo com suas aplicações.
Desta forma, neste trabalho é dimensionado um sistema de frenagem para a aplicação específica de um veículo elétrico de baixo peso, mais especificamente um kart. Este veículo possui como características a existência de um freio elétrico, devido ao motor, que contribui na frenagem do veículo. Além disso, as dimensões e peso do veículo, notavelmente diferentes de um carro de rua ou de competição, influenciam diretamente no dimensionamento. Todos estes fatores, além de outros a serem discutidos, serão considerados nos cálculos e vistos na sequência.
Este trabalho possui como objetivo geral dimensionar um sistema de freios para o kart elétrico do projeto VELLEV. Além disso, têm-se como objetivos específicos os seguintes itens:
Verificar se o raio dos discos de freio calculados é coerente; Verificar se a desaceleração obtida é coerente;
Verificar se, mesmo com a ação da transferência de carga, a reação com o solo nos eixos é suficientes para produzir a força de frenagem obtida; Comparar a desaceleração e a dimensão do disco de freio de um kart convencional com os resultados obtidos nos dimensionamentos deste trabalho; Definir qual dos dois casos estudados é mais adequado ao kart elétrico em questão.
Figura 1 - Primeiros sistemas de freio utilizados nos automóveis
Fonte: PRIETO (2014).
Ainda segundo Prieto [8], os freios de cinta surgiram em seguida. Neste tipo de sistema, uma roda que gira solidária ao eixo do automóvel é envolvida por uma cinta de couro que possui uma extremidade fixa, enquanto a outra é presa a uma alavanca que é acionada pelo condutor do automóvel. Ao ser acionada, a cinta entra em contato com a roda, promovendo a frenagem através do atrito entre eles.
Como estes sistemas eram completamente abertos, eles sofriam ação direta do ambiente onde estavam inseridos. Ou seja, areia, lama, água e outros agentes externos entravam em contato com as superfícies atritantes e reduziam a capacidade de frenagem. Além disso, o condutor devia aplicar uma força relativamente elevada para o acionamento dos freios (PRIETO, 2014).
Figura 2 - Freio de cinta
Fonte: PRIETO (2014).
Com o objetivo de sanar estes e outros problemas que surgiram na sequência, novos tipos de sistemas de frenagem foram criados ao longo dos anos. Atualmente existe uma grande diversidade de tipos de sistema, com tipos de acionamento e princípios de funcionamento diferentes entre si, cada qual com suas vantagens, desvantagens e aplicações mais adequadas.
Segundo Puhn [9], o sistema atuador é o sistema responsável por transformar a força aplicada pelo condutor no pedal de freio em força de fricção na superfície de frenagem. Estes atuadores podem ser de tipo mecânico, hidráulico, pneumático ou uma combinação entre eles. Assim, de uma forma genérica, os sistemas de freio são compostos pelo pedal, sistema de ligação e atuador de frenagem, que pode ser a tambor ou a disco.
2.2.1 Atuador Mecânico
Os atuadores mecânicos são os mais simples dentre os citados anteriormente. Este atuador transmite a força aplicada no pedal até o atuador de frenagem através de cabos ou hastes, promovendo a frenagem do veículo (PUHN, 1985).
Sua construção é relativamente simples, porém, de acordo com Limpert [4], sua eficiência mecânica é de aproximadamente 65%. Este valor indica que 35% da força aplicada pelo condutor no pedal de freio não é efetivamente transformada em força de frenagem.
Segundo Puhn [9], atualmente os atuadores mecânicos ainda são utilizados nos freios de estacionamento em veículos de passeio. Veículos que atingem velocidades menos elevadas, como bicicletas ou karts infantis ou de aluguel também utilizam atuadores mecânicos em seus sistemas de freio.
Segundo Limpert [4], a força transmitida entre o pistão do cilindro mestre e os pistões que empurram o material de fricção no final da linha pode ser aumentada através da escolha da área da seção transversal destes êmbolos. Este ganho é obtido ao se escolher a área total dos cilindros do final da linha maior que a área do pistão do cilindro mestre. O autor ainda diz que devido ao fato do curso do pistão do cilindro mestre ser limitado pelo curso do pedal de freio, o ganho entre os pistões do início e do fim da linha também se torna limitado.
Uma das vantagens dos atuadores hidráulicos apontada por Santos [11] é que através da utilização de um servo freio montado antes do cilindro mestre, a força de frenagem pode ser aumentada. Segundo o mesmo autor, o sistema de freio hidráulico é o mais difundido entre os carros de passeio atualmente.
2.2.3 Atuador Pneumático
Puhn [9] descreve os freios pneumáticos como sendo aqueles que são controlados por ar comprimido, sendo utilizados normalmente em grandes veículos e caminhões. Uma de suas vantagens é sua segurança, uma vez que pequenos vazamentos de ar na linha não causam perda total de frenagem.
Este sistema normalmente é composto, segundo Santos [11], por um compressor de ar; uma válvula reguladora de pressão, que limita as pressões máxima e mínima do sistema; elemento secador, que objetiva a retirada de umidade do sistema; válvula de proteção de quatro circuitos, que age isolando os circuitos no caso de problemas, entre outras válvulas necessárias para o funcionamento correto do sistema como um todo.
Limpert [4] divide os freios utilizados em automóveis, considerados de fricção, em freios a tambor (ou radiais) e freios a disco (ou axiais). Dentro de cada uma dessas categorias existem mais subdivisões que variam de acordo com o mecanismo atuante. Os freios a tambor e a disco serão discutidos mais especificamente a seguir para o caso de atuadores hidráulicos.
2.3.1 Freio a Tambor
Limpert [4] afirma que os freios a tambor podem ser de sapatas externas ou internas. Segundo Costa [2], os freios a tambor com sapatas internas, ou de expansão interior, ainda são frequentemente utilizados em automóveis, principalmente nas rodas traseiras.
O freio a tambor com sapatas internas, segundo Santos [11] constitui-se basicamente pelo cilindro de freio, prato de freio (ou placa de apoio), molas de retorno, sapatas de freio e tambor de freio (Figura 5). O prato de freio é fixo à ponta de eixo do automóvel e suporta o cilindro e as sapatas. O cilindro de freio é acionado ao pressurizar sistema pelo acionamento do pedal, movimentando as sapatas (que retornam pela ação das molas) contra as paredes internas do tambor. Assim, atrito é gerado e a frenagem é realizada pelo fato do prato ser fixo e o tambor girar solidário à roda.
Figura 5 - Freio a tambor
Fonte: COSTA (2001).
Costa [2] ainda diz que, devido às características construtivas do freio a tambor com sapatas internas, chuva, neve e outras impurezas presentes no ambiente onde o automóvel está andando são impedidas de entrar em contato com a superfície atritante. Porém, a blindagem não é estanque e, em caso de imersão na água, haverá penetração de umidade no sistema. Este
