1
Introdução
A durabilidade
de um material de atrito é um fator muito importante e depende do tipo
selecionado para uma aplicação. O fator isolado que governa a durabilidade dos
materiais de atrito é a temperatura. Os materiais de atrito são aglutinados por
resinas orgânicas, impondo limitações na sua temperatura de utilização. Em
temperaturas muito altas, há uma perda de área de contato através de uma
deterioração global da superfície do material de atrito [1].
Os materiais
de atrito são considerados materiais compósitos pois são produzidos
utilizando-se diversas matérias-primas com objetivo de prover uma combinação de
propriedades que não podem ser obtidas com os materiais isoladamente. Neste
caso, os materiais compósitos apresentam propriedades superiores às dos seus
componentes quando analisados em separado, isto é, atuam em sinergia [2,3].
A tabela 1
define os diferentes tipos de materiais de atrito, com base em características
como nível de atrito, desgaste, compatibilidade com rotor, ruído e custo [3].
Tabela
1: Tipos
de material de atrito.
|
Propriedades de um material de
atrito
|
Tipos de material de atrito
|
|
Classe A Orgânico
|
Classe B Orgânico
|
Classe C Semi
Metálico
|
|
Nível de atrito
|
Baixa Temperatura
|
0,30 - 0,36
|
0,40 - 0,48
|
0,35 - 0,45
|
|
Alta Temperatura
|
0,25 - 0,15
|
0,40 - 0,30
|
0,40 - 0,35
|
|
Desgaste
|
Baixa Temperatura
|
Baixo
|
Baixo-Médio
|
Baixo
|
|
Alta Temperatura
|
Alto
|
Médio-Alto
|
Baixo-Médio
|
|
Agressão ao rotor
|
Baixa Temperatura
|
Baixa
|
Alta
|
Baixa
|
|
Alta Temperatura
|
Alta
|
Alta
|
Baixa
|
|
Propensão a ruído
|
Baixa
|
Alta
|
Baixa
|
|
Custo
|
Baixo Custo
|
Médio Custo
|
Alto Custo
|
Fonte: Autores.
A resina
comumente utilizada para fabricação de materiais de atrito é a resina fenólica.
Porém, estão disponíveis resinas modificadas as quais possuem uma maior
resistência ao desgaste [4].
Tradicionalmente,
os materiais de atrito possuem na sua composição 30 - 40% de conteúdo orgânico,
como por exemplo: resinas, borrachas, e outras partículas orgânicas [5].
Os materiais
de atrito que usam resinas resistentes ao calor (modificadas) são mais
resistentes ao desgaste, e a resistência ao desgaste foi mais evidente em
temperaturas acima da temperatura de decomposição térmica da resina. A taxa de
desgaste em temperaturas moderadas não foi afetada pelo tipo de resina,
indicando que ela possui uma menor importância na resistência ao desgaste de um
material de atrito em condições normais de operação. No entanto, em
temperaturas acima da temperatura crítica de degradação, a taxa de desgaste foi
fortemente influenciada pela decomposição térmica da resina [6].
Por estas
razões, o mercado automotivo tem por hábito tratar a durabilidade, ou o
desgaste de um material de atrito, principalmente em função da temperatura de
serviço. Nesse contexto, existe a necessidade de desenvolver materiais de
atrito com maior resistência ao desgaste para regimes de trabalho em alta
temperatura. Como tratam-se de materiais compósitos, a alteração de sua
composição através da adição ou remoção de determinada matéria-prima poderá
afetar o seu desempenho quanto à durabilidade.
Via de regra,
os materiais de atrito compósitos são fabricados com fibras (naturais e
sintéticas), resinas (fenólicas e elastoméricas), cargas e modificadores de
atrito [7].
As fibras
possuem a função de aumentar a resistência mecânica dos materiais e também a de
melhorar a dissipação térmica durante o processo de frenagem, de modo que
quanto maior a dissipação, menos tempo o sistema de freio ficará exposto às
altas temperaturas. Exemplos de fibras utilizadas em materiais de atrito
compósitos são: fibras de vidro, fibras de celulose, fibras de aramida, fibras
cerâmicas, fibras de aço e fibras de cobre [8].
No que tange
às resinas, os materiais de atrito utilizam prioritariamente as resinas
fenólicas, que possuem a função principal de aglomerar todas as matérias-primas
e também prover resistência térmica ao material compósito [8].
As chamadas
cargas possuem a função de preencher os espaços na formulação, adicionando
elementos como: barita, pó de borracha, caulim, pó de reaproveitamento, dentre
outros [8].
Os
modificadores de atrito são igualmente importantes pois possuem a função
primordial de controlar os níveis de atrito da formulação. São os responsáveis
pelo aumento ou redução do nível de atrito. Aqui estão incluídos os
lubrificantes (que possuem a função de reduzir o nível de atrito) e os
abrasivos (que aumentam o nível de atrito) [8].
A formação e a
desintegração dos platôs de contato são dependentes das propriedades do
material de atrito. Fibras de aço e outros componentes estruturais e partículas
abrasivas possuem uma alta resistência ao desgaste [9].
Neste trabalho
será avaliado o comportamento de desgaste de um material de atrito através da
adição de fibra de aço na sua composição. Será incluído um percentual de 25% em
peso de fibra de aço, substituindo as cargas.
2
Materiais
e Métodos
2.1
Matéria-prima
Para o desenvolvimento
deste trabalho, foi utilizado um material de atrito da classe A – orgânicos –
conforme tabela 1.
A fabricação
das amostras seguiu o processo e especificações de fabricação definidas para a
formulação escolhida (as informações referentes às matérias-primas, quantidades
e processos não serão publicadas devido à necessidade de sigilo). Foram
fabricados dois lotes diferentes: um lote com lonas de freio sem a adição de
fibra de aço na composição e um lote com a adição de fibra de aço na composição.
Foram
produzidas lonas de freio na referência de mercado denominada FD/88, que possui
as seguintes dimensões:
• Raio
interno: 184,7 mm
• Raio
externo: 188,9 mm
• Largura:
177,8mm
A figura 1
ilustra a lona de freio FD/88 utilizada no ensaio.
Figura 1: Lona de freio referência FD/88.
Fonte: FRAS-LE (2020).
2.2
Equipamento
Para
avaliação das taxas de desgaste dos materiais de atrito foi utilizado um
dinamômetro inercial de freios em escala 1:1. O dinamômetro inercial simula em
ambiente controlado a energia cinética de um veículo em movimento, durante o
processo de frenagem. A figura 2 ilustra um dinamômetro inercial para ensaios
de frenagem.
Em um
dinamômetro inercial a energia cinética que pode ser armazenada depende do
momento de inércia de suas massas inerciais. O momento de inércia em um
dinamômetro é expresso pela equação (1), onde “m” é a massa (kg) a ser
considerada e “r” é o raio do pneu a ser considerado (m).
I = ½ . m. r2 (1)
Figura 2: Dinamômetro inercial em escala 1:1.
Fonte: FRAS-LE (2020).
2.3
Procedimento
de Ensaio
A norma
ISO26866 [11] foi utilizada para execução da matriz
de frenagens responsável pelo desgaste do material de atrito.
O procedimento
de ensaio conforme a norma ISO26866 define ciclos de avaliação de desgaste do
material de atrito onde são realizados blocos de 500 frenagens nas temperaturas
iniciais de 120°C e 180°C, e 250 frenagens nas temperaturas iniciais de 230°C,
290°C e 340°C. Cada ensaio conforme a norma ISO26866 possui duração aproximada
de 200 horas. Para medição e controle da temperatura durante os ensaios, foi
utilizado um termopar com resolução de 0,1 °C e incerteza de medição de 0,62
°C.
Ao final de
cada ciclo de frenagens (500 ou 250 frenagens), o desgaste do material de
atrito foi medido em gramas – perda de massa – utilizando-se uma balança com
precisão de 0,01 g e incerteza de medição de 0,01 g. Desta forma, foi possível
determinar o desgaste total em cada condição de temperatura ou ciclo no qual o
material de atrito foi exposto. O desgaste final foi expresso em perda de volume,
ou seja, o desgaste calculado em gramas foi dividido pela massa específica do
material de atrito, resultando em volume perdido de material (cm3).
A velocidade
inicial foi de 60 km/h durante a execução das frenagens, medida através de um
sensor de velocidade que possui 1 rpm de resolução e 0,57 rpm de incerteza de
medição.
A pressão de
frenagem utilizada foi àquela necessária para atingir uma desaceleração de 3
m/s2 durante a frenagem, conforme estipulado pela norma ISO26866.
Para medição e controle da pressão de frenagem, foi utilizado um transdutor de
pressão com 0,01 bar de resolução e 0,006 bar de incerteza de medição. Para
medição da desaceleração, é considerado o torque de frenagem como variável de
controle. Ele é medido através de um sensor de torque acoplado ao dinamômetro,
que possui resolução de 0,1 Nm.
2.4
Parâmetros
de ensaio e configuração do sistema de freio
Os parâmetros
de ensaio estão estipulados na norma ISO26866, e estão descritos na tabela 2.
Tabela 2: Parâmetros utilizados
no ensaio de dinamômetro.
|
Carga no
eixo
(kg)
|
Raio de Rolamento
(m)
|
Inércia
(kg.m2)
|
|
10000
|
0,527
|
1389
|
Fonte: Autores.
A configuração
do sistema de freio utilizado nos ensaios está ilustrada na tabela 3.
Tabela 3: Configuração do
sistema de freio.
|
Diâmetro do freio
(m)
|
Largura do freio
(m)
|
Comprimento do ajustador
(m)
|
Área da câmara de freio
(m2)
|
|
0,381
|
0,177
|
0,152
|
0,015
|
Fonte: Autores.
3.0
Resultados
e Discussão
Foram
realizados dois ensaios de dinamômetro. O primeiro ensaio realizado utilizou o
material de atrito produzido sem adição da fibra de aço na sua composição.
A figura 3
ilustra os valores de desgaste em perda de volume (cm3) para o
material de atrito sem adição de fibra de aço, em cada condição de temperatura
testada.
Figura 3: Desgaste do material de atrito sem fibra de
aço.
Fonte: Autores.
O segundo
ensaio realizado utilizou material de atrito produzido com adição de fibra de
aço na sua composição (25%) em substituição às cargas. A figura 4 ilustra os
valores de desgaste em perda de volume (cm3) para o material de
atrito com adição de fibra de aço, em cada condição de temperatura inicial
testada.
Figura 4: Desgaste do material de atrito com fibra de
aço.
Fonte: Autores.
A equação (2)
representa a taxa de desgaste do material de atrito em função da temperatura
para o material sem fibra de aço na composição.
Desgaste =
3,4e0,8x (2)
Onde “x”
representa a temperatura inicial de cada frenagem.
Do mesmo modo,
a equação (3) representa a taxa de desgaste do material de atrito em função da
temperatura para o material com adição de fibra de aço na composição.
Desgaste =
4,6e0,5x (3)
A figura 5
apresenta a redução percentual da taxa de desgaste do material de atrito, em
cada faixa de temperatura, após a adição de fibra de aço na sua composição.
Figura 5: Redução percentual da taxa de desgaste.
Fonte: Autores.
Após os
ensaios, não foram verificados problemas relacionados à resistência mecânica do
material de atrito.
As figuras 6 e
7 representam as lonas de freio após a realização dos ensaios em dinamômetro. A
figura 6 apresenta as lonas sem adição de fibra de aço na composição, enquanto
que a figura 7 apresenta as lonas com a composição alterada, ou seja, com
adição de fibra de aço. Ambos os materiais finalizaram os ensaios
apresentando-se íntegros, sem trincas ou quebras.
Figura 6: Lonas sem fibra de aço, após ensaio.
Fonte: FRAS-LE (2020).
Figura 7: Lonas com fibra de aço, após ensaio.
Fonte: FRAS-LE (2020).
4.0
Conclusões
A adição de
fibra de aço na composição do material de atrito reduziu significativamente a
taxa de desgaste do mesmo, especialmente a partir de 230°C. Quanto maior a
temperatura inicial das frenagens, mais acentuada foi a redução da taxa de
desgaste do material de atrito. Esta redução era esperada uma vez que a fibra
de aço possui alta resistência ao desgaste [9].
Blau e Jolly [12] utilizaram três diferentes métodos
para avaliar o desgaste de um material de atrito: teste em corpo de prova;
teste com sapata de freio em escala 1:1; e por fim, teste pino-disco. Conclui-se
que as diferenças no comportamento de desgaste dos materiais de atrito testados
em cada um dos três diferentes métodos puderam ser parcialmente atribuídas pela
forma como as camadas do detrito (partículas) de desgaste foram expelidas. Em
outras palavras, de acordo com a capacidade de cada equipamento (associado ao
método de avaliação) em expelir estas partículas, as taxas de desgaste puderam
ser influenciadas.
O desgaste de
um material de atrito pode ser avaliado através de inúmeras formas, desde
ensaios em escala com corpos de prova até ensaios no sistema de freio em escala
1:1 em equipamentos como os dinamômetros inerciais.
A maioria dos
resultados dos ensaios realizados seja com dinamômetro inercial de escala 1:1
ou seja com equipamento de ensaio tipo pino-disco, são equivalentes para
avaliação de taxa de desgaste. A vantagem do dinamômetro reside no fato de
possuir uma correlação muito próxima com o veículo em si, dado que utiliza o
sistema de freio propriamente dito do veículo [13].
O aumento de
durabilidade do material de atrito através da adição de fibra de aço em sua
composição – especialmente em regimes de temperatura acima de 230 °C – deve ser
obtido nas aplicações veiculares, uma vez que a reprodutibilidade dos
resultados em dinamômetro é garantida, dada sua similaridade com o sistema de
freio dos veículos.
Referências
[1] KCHAOU M.; SELLAMI A.; ELLEUCH R.
Friction characteristics of a brake friction material under different braking
conditions. Journal of
Materials & Design, v. 52, p. 533–540, 2013.
[2] GUALBERTO A. R. M.; GATT M. C. A.; TARPANI J. R. Resistência e
tolerância a impacto transversal de baixa energia de um laminado híbrido
Metal/Fibra. Revista Matéria, v. 14, no. 2, p. 795–813, 2009.
[3] ASKELAND D. R.
Ciência e engenharia dos materiais. São
Paulo – SP, 2012.
[4] KIM S. J.; KIM K. S.; JANG H. Optimization
of manufacturing parameters for a brake lining using Taguchi method. Journal of
Materials Processing Technology, v. 136, p. 202–208, 2003.
[5] JACKO M. G.; TSANG P. H. S.; RHEE S.
K. Automotive friction materials evolution during past decade. Wear, v. 100, p.
503–515, 1984.
[6] HONG U. S.; JUNG S. L.; CHO K. H.;
CHO M. H.; KIM S. J.; JANG H. Wear mechanism of multiphase friction materials
with different phenolic resin matrices. Wear, v. 266, p. 739–744, 2009.
[7] FRAS-LE. Manual
Técnico da Linha Pesada. 2010.
Disponível em:
<http://fras-le.com/pt/downloads>. Acesso: 10 jan. 2020.
[8] LIMPERT R. Brake design and safety.
Third Edition, SAE International, 2011.
[9] ERIKSSON M.; BERGMAN F.; JACOBSON S. On
the nature of tribological contact in automotive brakes. Wear, v. 252, p. 26–36, 2000.
[10] FRAS-LE. Imagens do Laboratório de Testes. 2020.
[11]
ISO26866: Brake lining friction materials — Standard wear test procedure for
commercial vehicles with air brakes. International
Organization for Standardization (ISO).
[12] BLAU P. J.; JOLLY B. C. Wear of truck
brake lining materials using three different test methods. Wear, vol. 259, p.
1022–1030, 2008.
[13] OSTERMEYER P.; AGUDELO C.; PERZBORN
N. On similarities and differences of measurements on inertia dynamometer and
scale testing tribometer for friction coefficient evaluation. SAE
International, 2014.