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Disciplina: Elementos de Máquinas II
Prof. Walter dos Santos Sousa
Universidade Federal do ParáCampus Universitário de Tucuruí
Curso de Engenharia Mecânica
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Aula 4: Freios e Embreagens
Objetivo: Identificar os tipos de embreagens e freios e suas aplicações, entendendo suas diferenças e condições de projeto.
Elementos de Máquinas II - UFPA - FEM - Tucuruí
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Definição de Freio
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Os freios são órgãos de máquinas que absorvem tanto energia cinética quanto potencial. A energia absorvida é dissipada sob forma de calor. A capacidade de um freio depende da pressão unitária entre as superfícies de frenagem, do coeficiente de atrito e da maior ou menor facilidade de dissipar o calor gerado pelo atrito.
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Definição de Embreagem É um sistema que funciona a base do atrito,
permitindo a fácil conexão e desconexão entre das árvores. A embreagem destina-se a desligar o motor das rodas motrizes quando se efetua uma mudança de velocidade ou quando se arranca. Torna-se assim possível engatar suavemente uma nova engrenagem antes da transmissão voltar a ser ligada, ou quando houver um novo arranque, permitindo que o motor atinja as rotações suficientes para deslocar o automóvel.
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Diferença entre Freio e Embreagem O funcionamento dos freios é semelhante ao
das embreagens, exceto que os freios conectam duas partes: uma fixa (sem movimento) e outra móvel, enquanto as embreagens conectam duas partes móveis.
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Aplicações - Freios
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Aplicações – Embreagem
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Embreagens e Freios de Aro Interno Expansível
Tais embreagens podem ser classificadas como de anel expansível, centrífugas, magnéticas, hidráulicas e pneumáticas.
Em sistemas de frenagem, o freio de sapata interna ou tambor é usado normalmente em sistemas automotivos.
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Embreagens e Freios de Aro Interno Expansível Distribuição de pressão
a
a
pp sen
sen
• A distribuição de pressão é senoidal com respeito ao ângulo central θ.
• Se a sapata for curta, como mostrado na figura 1a, a maior pressão será pa, ocorrendo em sua extremidade θ2.
• Se a sapata for longa, como mostrado na figura 1b, a maior pressão será pa, ocorrendo em θa = 90º.
(1)
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Embreagens e Freios de Aro Interno Expansível
Figura 1 Figura 2
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Embreagens e Freios de Aro Interno Expansível
Em qualquer ângulo θ, a partir do pino de articulação, atua uma força diferencial normal dN: dN pbrd
Em que b é a largura de face do material de fricção.
Substituindo o valor da pressão da Eq. 1 na equação anterior:
a
a
p brsen ddN
sen
Figura 3
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Embreagens e Freios de Aro Interno Expansível Encontraremos a força atuante F, utilizando a
condição conforme a qual a soma dos momentos ao redor do pino de articulação é zero.
O momento das forças de frenagem em torno do pino A é:
2
1
cos cosaf
a
fp brM fdN r a sen r a d
sen
O momento das forças normais em torno
do pino A é:
2
2
1
aN
a
p braM dN asen sen d
sen
(2)
(3)
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Embreagens e Freios de Aro Interno Expansível A força F atuante deve equilibrar estes
momentos:
c
MMF fN
(4)
Se MN = Mf, o auto-travamento é obtido, nenhuma força externa (F) é requerida para travar o sistema. A dimensão a na Fig. 2 é tal que MN > Mf.
O torque aplicado ao tambor pela sapata é a soma das forças de frenagem pelo raio do tambor.
22 2
1 2
1
cos cosa a
a a
fp br fp brT frdN sen d
sen sen
(5)
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Embreagens e Freios de Aro Interno Expansível As reações no pino são tomadas pela soma das
forças horizontais e verticais:2 2
2
1 1
cos cosax x x
a
p brR dN fdNsen F sen d f sen d F
sen
2 22
1 1
cos cosay y y
a
p brR dNsen fdN F sen d f sen d F
sen
A direção das forças de frenagem é revertida, se a rotação for também revertida. Então para rotação anti-horária, a força de atuação é:
c
MMF fN
(6)
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Embreagens e Freios de Aro Interno Expansível As reações no pino A acompanham esta
mudança de sentido de rotação do disco.2 2
2
1 1
cosax x
a
p brR sen d f sen d F
sen
2 2
2
1 1
cosay y
a
p brR sen d f sen d F
sen
Para facilitar os cálculos, considera-se:
222
11
1cos
2A sen d sen
2
1
2
1
2 24
1
2
sendsenB
(7) (8)
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Embreagens e Freios de Aro Interno Expansível Assim, para rotação horária, como mostrado
na Fig. 2, as reações do pino de articulação são:
ax x
a
p brR A fB F
sen
ay y
a
p brR B fA F
sen
E para rotação anti-horária:
ax x
a
p brR A fB F
sen
ay y
a
p brR B fA F
sen
(9)
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Embreagens e Freios de Aro Interno Expansível Para a base deste estudo, levou-se em
consideração algumas hipóteses: a pressão em qualquer ponto da sapata é
proporcional à distância do pino A. Isso deve ser considerado na perspectiva de que pressões especificadas por fabricantes são médias, em vez de máximas;
O efeito centrífugo foi desprezado. No projeto de embreagens deve ser considerado;
A sapata é rígida não sujeita à flexão; A análise completa foi baseada em um
coeficiente de fricção que não varia com a pressão.
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Embreagens e Freios de Aro Externo Contrátil Os mecanismos de operação podem ser
classificados como:Solenóides;Alavancas, elos ou dispositivos de
travamento;Elos com carregamentos de mola;Dispositivos hidráulicos e pneumáticos.
A notação de sapatas externas contráteis é mostrada da figura a seguir.
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Embreagens e Freios de Aro Externo Contrátil
De maneira análoga à Embreagens e Freios de Aro Interno Expansível:
2
1
cosaf
a
fp brM sen r a d
sen
22
1
aN
a
p braM sen d
sen
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Embreagens e Freios de Aro Externo Contrátil
Sentido horário:
c
MMF fN
(11)
ax x
a
p brR A fB F
sen
ay y
a
p brR fA B F
sen
Sentido anti-horário:
(12)
N fM MF
c
(13
)
ax x
a
p brR A fB F
sen
ay y
a
p brR fA B F
sen
(14)
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Embreagens e Freios de Aro Externo Contrátil – Sapata Pivotada Simétrica
0 cosw w
Nesse caso, o momento das forças de fricção ao redor do pivô é zero*.Equação do desgaste na direção radial:
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Embreagens e Freios de Aro Externo Contrátil – Sapata Pivotada Simétrica
2
2
2 2
0
2 2
0
2 cos 2 22
2 cos 2 22
ax
ay
p brR dN sen
p brfR fdN sen
Observe que Rx = – N e Ry = – fN. Sendo assim, o torque será:
T afN Em que: 2
2 2
4
2 2
r sena
sen
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Embreagens Axiais de Contato Friccional Para Desgaste Uniforme
Depois que o desgaste inicial tiver ocorrido e os discos tiverem se desgastando a um ponto em que o desgaste seja uniforme seja estabelecido, o desgaste axial poderá ser expresso pela equação:
Em que somente P e V variam de lugar para lugar nas superfícies de roçamento.
1 2w f f KPVt
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Embreagens Axiais de Contato Friccional
/2 /2
/2 /2
/2 /22 2 2
/2 /2
22
22
D Da
a
d d
D Da
a
d d
p dF pr dr p d dr D d
fp dT fpr dr fp d rdr D d
Assim, a força normal e o torque serão:
Pode-se relacionar T e F por:
4
FfT D d
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Embreagens Axiais de Contato Friccional Pressão Uniforme
Quando uma pressão uniforme pode ser assumida sobre a área do disco, a força atuante F é o produto da pressão pela área de contato:
Como antes, o torque é encontrado integrando-se o produto da força friccional pelo raio:
2 2
4ap
F D d
/2
2 3 3
/2
212
D
d
fpT fp r dr D d
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Embreagens Axiais de Contato Friccional Visto que p=pa temos a seguinte relação:
3 3
2 23
D dFfT
D d
Observe as duas equações de torque. Podemos obter as relações:
1 /
4
T d D
fFD
3
2
1 /1
31 /
d DT
fFD d D
Torque sob Desgaste Uniforme
(embreagem velha)
Torque sob Pressão uniforme
(embreagem nova)
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Embreagens Axiais de Contato Friccional
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Freios de Disco
Distância efetiva de aplicação da força
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Freios de Disco Desgaste Uniforme
A força atuante e o torque de fricção são:
A coordenada que localiza a atuação da força F e o raio efetivo, que é o raio de sapata equivalente de espessura radial infinitesimal, são dados por:
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Freios de Disco Pressão Uniforme
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Outros tipos de Freios e Embreagens Embreagens e freios de
Cone
Embreagens e freios de Cinta
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Exercícios Prob. 16.1
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Exercícios Prob. 16.7