Acoplamentos por Atrito

Os principais tipos de acoplamentos por atrito são chamados de embreagens e freios. Existe, basicamente, dois tipos de embreagens, a embreagem à disco e a embreagem cônica. Quanto aos freios, eles podem ser classificados em freios à tambor e à disco, com diversas construções derivadas.

1. Embreagens.As embreagens são usadas para a transmissão de movimento entre eixos

colineares. A diferença entre uma embreagem e um acoplamento entre eixos repousa no fato da possibilidade de existir, ou não, a transmissão. Isto é quando a embreagem é acionada, existe a transmissão, caso contrário a transmissão não ocorre.

1.1.Embreagens à disco para uso em transmissões mecânicasTransmissões mecânicas são utilizadas entre a fonte de potência, o motor, e a

carga. Dentre as transmissões mecânicas existentes, o tipo mais comum é a por engrenagens, utilizada principalmente em veículos automotivos. 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, pelo menos, um par do conjunto seja desacoplado e que outro seja acoplado. Como as engrenagens são rígidas, é possível que nesta troca os dentes das engrenagens sofram o choque causado pelo acoplamento da carga ao motor numa nova relação de transmissão. Para evitar esse choque, o motor é desacoplado da linha de transmissão no instante da alteração da relação de transmissão com o uso de uma embreagem.

A figura 1 mostra um tipo de embreagem automotiva, que trabalha a seco, ou seja, os discos não estão embebidos em óleo, o que serviria para resfriamento do conjunto.

Figura 1 – Embreagem a seco.

A embreagem mostrada está na posição acionada. Nessa posição, o volante, preso ao eixo do motor, está transmitindo o torque, por meio de parafusos, à placa de pressão. As molas, cujo número, normalmente, varia entre 6 e 10, pressionam essa

Disco.

placa contra o disco, que também se apóia no volante do lado oposto. O disco O conjunto volante-eixo 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.

Além deste, o tipo mais comum de embreagem automotiva usa um tipo especial de mola prato, chamada vulgarmente de chapéu chinês. A figura 2(a) mostra esse tipo de elemento e a figura 2(b) um disco de embreagem comum. As molas centrais são para amortecer os choques torcionais.

Figura 2 – Tipos de embreagem.

Um outro tipo de embreagem também empregada em veículos automotivos é a de múltiplos discos, apresentada na figura 3.

Figura 3 – Embreagem de discos múltiplos.

Esse tipo de embreagem faz uso de um número maior de discos para transmitir torque elevados. Como vantagem, ocupa um espaço radial muito menor do que as embreagens convencionais à seco; como desvantagem, ocupam um espaço axial muito maior. Como a dimensão radial é menor, é mais difícil trocar o calor gerado durante o acoplamento, e os discos precisam ser embebidos em óleo para resfriamento. Isso reduz significativamente o coeficiente de atrito entre as superfícies, mas implica em utilizar uma força normal entre os discos maior para transmitir um torque adequado. O menor coeficiente de atrito diminui o desgaste por disco, mas a maior força normal torna a aumenta-lo. Como o desgaste é proporcional ao trabalho realizado e este é dividido entre os discos, embreagens desse tipo duram mais até a reposição dos discos.

1.2.Embreagens Cônicas.Embreagens cônicas são utilizadas quando se deseja grande amplificação do

esforço de transmissão, sem que haja limitação axial para deslocamento. A figura 4 é uma representação deste tipo de embreagem, onde é possível observar que o princípio básico de funcionamento é o da cunha.

Figura 4 – Embreagem cônica.

Quando a parte indicada por cone na figura 4 desloca-se para a esquerda, pela ação da força da mola, surge uma pressão nas superfícies de contato, que aumenta conforme o deslocamento axial aumenta. Esse esforço gerado depende da força da mola e do ângulo do cone (). Para desacoplar a embreagem, basta mover o cone para a direita.

A grande vantagem desse tipo de embreagem é permitir um grande esforço normal nas superfícies em contato sem um apreciável esforço de engate. A desvantagem é o movimento axial, nem sempre possível na maioria dos dispositivos. Embreagens cônicas também são empregadas como freios.

2. Freios.Os freios são componentes mecânicos destinados a reduzir, ou eliminar, a

velocidade de um objeto. Os freios mais comumente empregados são os a disco, a tambor de sapatas internas e os de sapatas externas.

2.1.Freios à disco.Um freio à disco consiste um disco preso a um eixo em rotação e um elemento

que trabalha em rotação nula, preso à estrutura da transmissão. O disco é acoplado ao elemento com velocidade nula por meio de uma pinça. A figura 5 mostra um exemplo de freio a disco automotivo.

Figura 5 – Freio a disco.

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, ou outro (elétrico, magnético, por esforço centrífugo, ...).

Devido ao grande torque a ser transmitido, normalmente até duas ou três vezes maior do que o do motor, os discos necessitam de grande área de resfriamento. Por isso, apenas parte de sua superfície é utilizada como superfície de atrito a cada

instante. As pastilhas de freio, que fazem a função da placa de pressão e do volante nas embreagens, ocupam uma pequena parcela da área total do disco.

Os discos podem ser sólidos, para menores potências de frenagem, ou ventilados. Esses últimos podem ser ventilados por aletas internas ou por furos na superfície de atrito, como em motocicletas. Os furos também têm a função de retirar o material desgastado da região de contato entre a pastilha e o disco.

2.2.Freios a tambor de sapatas externas.A figura 6 mostra o tipo mais comum de freio de tambor de sapatas externas. É

utilizado em maquinas de elevação, tais como pontes rolantes, elevadores, gruas, etc.

Figura 6 – Freio de sapata externa.

Normalmente este tipo de freio é composto de duas sapatas simetricamente dispostas em torno de um tambor, que é ligado a carga a ser freada. O acionamento pode ser eletromagnético, pneumático e, mais raramente, hidráulico ou manual.

Quando o freio é acionado, o conjunto de alavancas atua no sentido de aplicar pressão entre as sapatas, que contém o material de atrito substituível, e o tambor.

No caso deste tipo de freio, o tambor, também, serve também para dissipar o calor gerado na interface com as sapatas.

2.3.Freios a tambor de sapatas internas.Este tipo de freio consiste de duas ou mais sapatas que são aplicadas contra a

face interna de um tambor de freios. A figura 7 apresenta um freio deste tipo usado em veículos automotores.

Figura 7 – Freio de sapata interna.

No freio da figura 7, a força gerada no cilindro hidráulico move as sapatas, que estão ancoradas no ajustador de folga (regulagem). Com essa restrição, as sapatas não se movem lateralmente, mas giram em torno do ponto de ancoragem. Fica evidente que o apoio da sapata sobre o tambor se dá principalmente na parte superior desta, fazendo com que a pressão de contato seja maior nessa região.

3. Dimensionamento.São utilizados dois modelos para o dimensionamento de um acoplamento por

atrito: pressão uniformemente distribuída e desgaste uniforme.Tomemos a embreagem apresentada na figura 8.

Figura 8 – Embreagem de disco.

No modelo de pressão uniformemente distribuida, o torque (T) que pode ser transmitido por uma embreagem de disco é dado por:

T=2Ff (r 0

3−r i3)

3 (r02−r i

2)N (1)

sendo F a força de contato entre os discos, f o coeficiente de atrito e N o número de discos que estão atuando na embreagem.

Note que na figura 8 temos apenas um disco atuando,

No modelo de desgaste uniforme, o torque (T) que pode ser transmitido por uma embreagem de disco é dado por:

T=Ff ( r0+ri2 )N (2)

3.1. Embreagens e Freios à disco.

Para embreagens e freios a disco, a aplicação das equações 1 e 2 é direta. Alguns cuidados devem ser tomados quando da utilização com freios a disco devido à largura das pastilhas. Essas não atritam contra o freio como um todo.

Em freios a disco automobilísticos, o número de superfícies em contato é sempre 2; em embreagens de múltiplos discos, pode haver confusão entre o número de discos e o número de superfícies em contato. O número que deve ser utilizado é sempre o de superfícies em contato. A figura 9 mostra um esquema de embreagens de múltiplos discos.

Figura 9 – Embreagem de múltiplos discos.O valor do coeficiente de atrito muda dependendo do material utilizado e das

condições ambientais e de trabalho. A tabela 1 mostra a faixa de variação dos valores do coeficiente de atrito seco, para fins de projeto.

A tabela 2 mostra os coeficientes de atrito para materiais embebidos em óleo.

3.2. Embreagens cônicas.

Para as embreagens cônicas, como a apresentada na figura 4, o torque a ser transmitido é dado por:

T=2Ff (r0

3−ri3)

3(r02−ri

2) senα (3)

Sendo r0 o raio maior, ri o raio menor e o ângulo de cone.

3.3. Freios a sapata.

Os freios de sapata, como visto, anteriormente, podem ser de sapatas externas ou de sapatas internas. As expressões (4), (5) e (6), fornecem a força de frenagem para os freios de sapata.

Para o freio de sapata externa da figura 10, temos:

Figura 10 – Freio de sapata simples.

F≥ R (a+fc )a+b

(4)

Para o freio de sapata da figura 11, quando consideramos as dimensões da sapata, o torque máximo que podemos frear é:

Figura 10 – Freio de sapata externa.

T=f ∙ pmáx ∙b ∙ r

2

(senθ )máx(cosθ1−cosθ2 ) (5)

Sendo b a largura da sapataA pressão máxima permitida para os materiais estão apresentadas na tabela 3.

Tabela 3 – pressão máxima permitida.

Materiais Temperaturamáxima (oC) pmáx (kPa)

Metal / Metal 316 9,58

Madeira / Metal 66 3,35

Couro / Metal 66 1,20

Asbesto / Metal 260 2,40

Ferro fundido / sinterizado 260 19,15

Para o freio de sapata interna da figura 11, temos:

Figura 11 – Freio de sapata interna.

F1=N1 (a−fc )

l

F2=N 2 (a+ fc )

l

A tabela 4 fornece o coeficiente de atrito para diversos materiais.Tabela 4 – coeficiente de atrito.

Material Material Estático s/ lubrificação

Deslizamento s/ lubrificação

Estático c/ lubrificação

Deslizamento c/ lubrificação

Aço Bronze de alumínio 0,45 - - -

Aço Grafite 0,1 - 0,1 -Aço Latão 0,35 - 0,19 -

Aço Liga de cobre e chumbo 0,22 - 0,16 0,15

Aço médio C Aço médio C 0,74 0,57 - -Aço médio C Chumbo 0,95 0,95 0,5 0,3Aço médio C Ferro fundido - 0,23 0,18 0,13Alumínio Alumínio 1,9 1,4 - -Alumínio Aço médio C 0,61 0,47 - -Borracha Asfalto seco - 0,5-0,8 - -Borracha Asfalto úmido - 0,25-0,75 - -Borracha Concreto seco 1,0 0,6-0,85 - -Borracha Concreto úmido - 0,45-0,75 - -Bronze Aço - - 0,16 -Bronze Ferro fundido - 0,22 - -Bronze fosforoso Aço 0,35 - - -

Carboneto de tungstênio Aço 0,4-0,6 - 0,1-0,2 -

Carboneto de tungstênio

Carboneto de tungstênio 0,2-0,25 - 0,12 -

Carboneto de tungstênio Cobre 0,35 - - -

Chumbo Ferro fundido - 0,43 - -Cobre Aço médio C 0,53 0,36 - 0,18Cobre Cobre 1,0 - 0,08 -Cobre Ferro fundido 1,05 0,29 - -Couro Madeira 0,3-0,4 - - -Couro Metal 0,6 - 0,2 -Couro Metal (úmido) 0,4 - - -Cromo Cromo 0,41 - 0,34 -Estanho Ferro fundido - 0,32 - -Ferro fundido Ferro fundido 1,1 0,15 - 0,07Gelo Gelo 0,1 0,03 - -Grafite Aço 0,1 - 0,1 -Grafite Grafite 0,1 - 0,1 -Latão Ferro fundido - 0,3 - -Lona de freio Ferro fundido 0,4 - - -

Lona de freio Ferro fundido úmido 0,2 - - -

Madeira Concreto 0,62 - - -Madeira Madeira 0,25-0,5 - - -Madeira Madeira úmida 0,2 - - -Madeira Metal 0,2-0,6 - - -Madeira Metal úmido 0,2 - - -Madeira Pedra 0,4 - - -Madeira Tijolo 0,6 - - -Magnésio Magnésio 0,6 - 0,08 -Níquel Aço médio C - 0,64 - 0,18Níquel Níquel 0,7-1,1 0,53 0,28 0,12Nylon Nylon 0,15-0,25 - - -Platina Platina 1,2 - 0,25 -Plexiglas Aço 0,4-0,5 - 0,4-0,5 -Plexiglas Plexiglas 0,8 - 0,8 -Poliestireno Aço 0,3-0,35 - 0,3-0,35 -Poliestireno Poliestireno 0,5 - 0,5 -Prata Prata 1,4 - 0,55 -Teflon Aço 0,04 - 0,04 0,04Teflon Teflon 0,04 0,04 0,04 0,04Tijolo Madeira 0,6 - - -Vidro Metal 0,5-0,7 - 0,2-0,3 -Vidro Vidro 0,9-1,0 0,4 0,1-0,6 0,09-0,12Zinco Ferro fundido 0,85 0,21 - -Zinco Zinco 0,6 - 0,04 -