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5/20/2018 Kit-didatico Freio
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CENTRO PAULA SOUZAFATEC - SANTO ANDR
Nouriandres Librio SilvaRoberto Alexandre Plaa
KIT DIDTICO DE SIMULAO DOSISTEMA DE FREIOS ABS
Santo AndrSo Paulo2011
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Nouriandres Librio SilvaRoberto Alexandre Plaa
KIT DIDTICO DE SIMULAO DOSISTEMA DE FREIOS ABS
Trabalho de Concluso de Curso apresentado aFATEC Santo Andr como requisito parcial paraobteno do ttulo de tecnlogo.
Orientador: Prof.Dr. Fabio DelatoreCo Orientador: Prof. Dr. Dirceu Fernandes
Santo AndrSo Paulo2011
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Librio / NouriandresPlaa / Roberto
Kit didtico de simulao do ABS / Librio2011
Plaa201187p.
Ensino SuperiorFatec Santo Andr
Assunto ABS.
Kit didtico de simulao do ABS
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A todas as pessoas que acreditaram e
nos ajudaram at o termino deste
trabalho.
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AGRADECIMENTOS
A nossas famlias por nos incentivarem a sempre seguir em frente independente do
que ocorrer.
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Navegar preciso viver no
preciso
Fernando Pessoa.
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RESUMO
Um dos principais sistemas de segurana nos veculos so os sistemas de freios, que
surgiram com o objetivo de desacelerar parcial ou totalmente um veculo em movimento
conforme as condies de trfego, requisitos tcnicos e legais. Diversos tipos de freios foram
desenvolvidos entre os quais se tem os freios a tambor e os freios a disco. Durante a freagem
pode ocorrer o travamento das rodas, o que prejudica o desempenho e a estabilidade pois
aumenta a distncia de freagem e causa a perda de dirigibilidade do veculo. Para evitar a
ocorrncia do travamento das rodas na freagem foram desenvolvidos sistemas automticos
onde destaca-se os freios ABS (Antilock Brake System). O sistema de freios ABS tem como
objetivo manter a estabilidade direcional do veculo e otimizar o desempenho na freagem. Os
benefcios proporcionados por esse sistema esto descritos no contexto deste trabalho. O
objetivo deste trabalho desenvolver um kit didtico de simulao do sistema de freios ABS,
atravs de uma lgica de controle. Esse kit pode ajudar os interessados no assunto a
compreender o funcionamento do sistema ABS sem a necessidade da presena do veculo. O
mtodo utilizado o desenvolvimento de uma lgica de controle que simula uma condio
especfica de operao do veculo com o uso dos kits de controle disponveis na Fatec Santo
Andr. Os testes e anlise dos resultados foram feitos com o auxilio da ferramenta
computacional Labview. Espera-se ao concluir este trabalho, que sejam obtidos resultados
similares na simulao aos obtidos nos testes reais com o veculo em condies
representativas de atuao do sistema de freio ABS.
Palavraschave: Veculos, Freios, Segurana, ABS, kit educacional.
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ABSTRACT
One of the main safety systems in vehicles are brake systems, which arisen for
decelerate partially or totally a vehicle moving according to traffic conditions and technical
and legal requirements. Sundry types of brakes have been developed among which are drum
brakes and disc brakes. Can occur locking during braking wheel, which disrupts the
performance and stability because it increases the stopping distance and causes loss of
drivability of the vehicle. To avoid locking the wheels on brake systems have been developedautomatic systems called ABS (Antilock Brake System). The ABS system aims to maintain
directional stability of the vehicle and optimize performance in braking. The benefits provided
by this system are described in the context of this work. The objective of this work is to
develop an educational kit simulation ABS brake system through control logic. This kit can
help those interested in the subject to understand the functioning of the ABS system without
the presence of the vehicle. The method used is the development of a control logic that
simulates a specific condition of operation of the vehicle with the use of kits available control
Fatec St. Andre. Tests and analysis of results were done with the help of Lab view software
tool. It is hoped when complete this work obtaining similar results to those achieved by other
work done and those obtained in actual tests with the vehicle under representative conditions
of operation of the ABS brake system.
Keywords: Vehicles, brake, safety, ABS, educational kit.
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LISTA DE ILUSTRAES
Figura 1 Sistema de freio convencional de um automvel de passeio.. ................................... 19
Figura 2 Servo freio, vista em corte.. ....................................................................................... 21
Figura 3 Cilindro mestre e reservatrio do fluido de freio.. ..................................................... 22
Figura 4 Componentes do freio a disco.. .................................................................................. 23
Figura 5 Freio a tambor e seus principais componentes.. ......................................................... 25
Figura 6 Diagrama de blocos de um sistema de freio ABS. ..................................................... 27
Figura 7 Situao de freagem normal.. ..................................................................................... 28
Figura 8 Atuao do sistema ABS em presso constante. ........................................................ 28
Figura 9 Atuao do sistema ABS em reduo de presso. ..................................................... 29
Figura 10 Fechamento do ciclo de atuao do sistema ABS.. .................................................. 30
Figura 11 Zona de atuao do sistema ABS.. ........................................................................... 31
Figura 12 Velocidade angular x controle da presso aplicada no circuito hidrulico. ............. 32
Figura 13 Funcionamento do sistema ABS nas quatro rodas do veculo.. ............................... 33
Figura 14 Funcionamento do sistema ABS em dois eixos.. ..................................................... 34
Figura 15 Conjunto servomecnico. ......................................................................................... 36
Figura 16 Conjunto sinal de referncia..................................................................................... 37
Figura 17 Conjunto controlador. .............................................................................................. 38
Figura 18 Circuito Somador. .................................................................................................... 39
Figura 19 Circuito comparador Mdia1. .................................................................................. 41
Figura 20 Circuito comparador Mdia 2. ................................................................................. 41
Figura 21 Fluxograma principal da programao utilizada. ..................................................... 43
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Figura 22 Cdigo do programa valor mdio e ao de presso constante. .............................. 45
Figura 23 Valor mdio e ao de reduo de presso. ............................................................. 46
Figura 24 Diagrama do sistema de controle em malha fechada. .............................................. 47
Figura 25 Diagrama de blocos do conjunto montado. .............................................................. 48
Figura 26 Conjunto montado para realizao dos experimentos. ............................................. 48
Figura 27 Representao ABS emLabview. ............................................................................ 50
Figura 28 Ao de presso constante em uma roda.................................................................. 51
Figura 29 Ao de presso constante em duas rodas................................................................ 52
Figura 30 Ao de reduo de presso na roda esquerda. ........................................................ 53
Figura 31 Ao de reduo de presso na roda direita. ............................................................ 53
Figura 32 Representao dos grficos da simulao do sistema ABS em malha fechada. ...... 54
Figura 33 Indicao de veculo parado. .................................................................................... 55
Figura 34 2 ensaio. .................................................................................................................. 57
Figura 35 3 Ensaio. .................................................................................................................. 57
Figura 36 4 Ensaio. .................................................................................................................. 58
Figura 37 5 Ensaio. .................................................................................................................. 59
Figura 38 6 Ensaio. .................................................................................................................. 59
Figura 39 Sistema ABS utilizando controle por modos deslizantes.. ....................................... 60
Figura 40 Resultado da simulao do sistema ABS. ................................................................ 61
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Caractersticas comparativas dos calipers fixo e caliper flutuante.. .......................... 24
Tabela 2 Componentes e funes do conjunto servomecnico. ............................................... 36
Tabela 3 Resultado das aplicaes do freio magntico. ........................................................... 42
Tabela 4 Atuao do freio ABS. ............................................................................................... 42
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABS -Antilock Braking System.
AO Amplificador operacional.
ASRAnti skid regulator.
CcoCruise control.
CONTRANConselho Nacional de Transito.
ECUEletrnic Control Unit.
EBSEletronic brake system.
ESPEletronic stability program.
FsaidaFora de sada.
FentradaFora de entrada.
Vref Valor referncia.
Vr1Valor referncia1.
Vr2Valor referncia2.
VrABS1Valor de referncia para ABS presso constante.
VrABS2Valor de referncia para ABS reduo de presso.
Vtacovelocidade do tacogerador.
Sv1Sensor de velocidade da roda direita.
Sv2Sensor de velocidade da roda esquerda.
UceUnidade de controle eletrnico.
-splitAderncia da pista com atrito alto e baixo de cada lado.
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LISTA DE SIMBOLOS
C* - Fator de freio.
Escorregamento.
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SUMRIO
1. INTRODUO .................................................................................................................. 17
1.1 ESTRUTURA DO TRABALHO ....................................................................................... 18
1.2 OBJETIVOS ....................................................................................................................... 181.2.1 Motivao ........................................................................................................................ 18
2. CONCEITOS TEORICOS ................................................................................................ 192.1 FENMENO FSICO DA FREAGEM ............................................................................. 19
2.2 SISTEMA DE FREIO HIDRULICO .............................................................................. 192.2.1 Pedal do freio ................................................................................................................... 202.2.2 Servo freio ....................................................................................................................... 202.2.3 Cilindro mestre e conexes ............................................................................................. 212.2.4 Freio a disco .................................................................................................................... 222.2.5 Freio a tambor .................................................................................................................. 24
2.3 SISTEMA DE FREIO ABS ............................................................................................... 25
2.3.1 Principais componentes do sistema ABS ........................................................................ 262.3.2 Funcionamento do sistema de freio ABS ........................................................................ 26
2.3.3 Fases do ciclo de operao do sistema ABS.................................................................... 282.3.4 Conceitos bsicos do ciclo de controle. ........................................................................... 30
3. METODOLOGIA ............................................................................................................... 353.1 MATERIAIS ...................................................................................................................... 35
3.2 MTODO. .......................................................................................................................... 39
3.2.1 Primeira etapa: Circuito analgico. ................................................................................. 393.2.2 Representao da ao de presso constante ................................................................... 40
3.2.3 Representao da ao de reduo de presso................................................................. 41
3.3 SEGUNDA ETAPA: REPRESENTAO GRFICA DO SISTEMA ABS ATRAVSDA FERRAMENTA COMPUTACIONALLABVIEW........................................................... 423.3.1 Representao da ao de presso constante. .................................................................. 44
3.3.2 Representao da reduo de presso. ............................................................................. 45
3.4 TERCEIRA ETAPA: APLICAO PRTICA DO SISTEMA DE CONTROLE NO KITLJ. ............................................................................................................................................. 46
4. RESULTADOS E ANLISE DOS RESULTADOS. ...................................................... 504.1 RESULTADOS TERICOS. ............................................................................................. 504.1.1 Painel de simulao da presso constante. ...................................................................... 51
4.1.2 Painel de simulao de reduo de presso. .................................................................... 52
4.2 RESULTADOS PRTICOS .............................................................................................. 554.2.1 1 Ensaio: Influncia do freio magntico na velocidade do motor. ................................. 56
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4.2.2 2 Ensaio: Aplicao do primeiro estgio do freio magntico em intervalos de 1s emmalha fechada. .......................................................................................................................... 564.2.3 3 Ensaio: Aplicao do segundo estgio do freio magntico em intervalos de 1s emmalha fechada. .......................................................................................................................... 57
4.2.4 4 Ensaio: Aplicao do primeiro estgio do freio magntico em malha aberta. ............ 584.2.5 5 Ensaio: Aplicao do segundo estgio do freio magntico em malha aberta. ............ 58
4.2.6 6 Ensaio: Sem aplicao do freio magntico e sem controle. ........................................ 59
4.3 ANLISE DOS RESULTADOS ....................................................................................... 60
5. CONCLUSO ..................................................................................................................... 63
5.1 PROPOSTAS DE TRABALHOS FUTUROS ................................................................... 63
BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................... 64
APNDICE A. ........................................................................................................................ 66
ANEXO A. ............................................................................................................................... 67
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1. INTRODUO
Desde a concepo do primeiro automvel, diversos sistemas de segurana vm sendo
desenvolvidos visando preservar a vida de seus ocupantes, a fim de evitar a ocorrncia de
acidentes e reduzir os danos sofridos nos ocupantes dos veculos. Os sistemas de segurana
dividem-se em ativos e passivos.
Compreende-se como segurana passiva os sistemas desenvolvidos com o objetivo de
salvar a vida dos ocupantes aps a ocorrncia de acidente ou de minimizar os danos nos
ocupantes como por exemplo o cinto de segurana e o air bag.
Entende-se como segurana ativa os sistemas que evitam a ocorrncia de acidentes
como: o controle de trao ASR (Ant Skid Regulator), o controle de estabilidade ESP
(Eletrnic Stability Program), o controle de velocidade de cruzeiro CCO (Cruise control), os
sistemas de anti-bloqueio dos freios ABS (AntiLock Brake System) e o sistema de freio
eletrnico EBS (Eletrnic Brake System).
A finalidade dos sistemas de freios proporcionar uma ao de freagem segura e
confortvel, conforme solicitao do motorista, condies de trafego e requisitos requeridos
pelo fabricante e pela legislao.
A origem do sistema de freio nos automveis ocorreu aps o primeiro acidente
automobilstico que se tem notcia, quando o inventor francs Nicholas Cugnot desenvolveu,
por volta do ano 1700, um veculo que pesava quase 10 toneladas, movido por uma caldeira a
vapor. O veculo seria usado para carregar as peas de artilharia em sua viagem inaugural,
porm seu inventor descobriu que no havia pensado em como par-lo. Assim ocorreu o
primeiro acidente automobilstico que se tem notcia, dado que o pesado carro derrubou um
muro (MALUF et al, 2007).
Durante muitos anos os sistemas de freio de roda foram compostos por mecanismoscapazes de travar as rodas ao serem acionados, o veculo continuava arrastando-se por uma
distncia consideravelmente longa at que o atrito entre o pneu e o solo fosse suficiente para
parar totalmente o conjunto.
Para que fosse possvel uma desacelerao rpida em um menor espao possvel foram
desenvolvidos freios automticos, que auxiliam na ao de freagem, entre os quais esto os
freios eletrnicos EBS (Eletronic brake system) e o sistema de freio com controle
antitravamento das rodas denominado ABS (Antilock brake systems), que o objeto de estudodeste trabalho e item obrigatrio nos veculos comercializados em pases desenvolvidos.
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No Brasil, segundo as normas legislativas o sistema de freio ABS tornar-se- item
obrigatrio em todos os automveis produzidos a partir de 2014 (CONTRAN, N. 312).
Este trabalho trata do desebvolvimento de um kit didtico de simulao do sistema de
freio ABS realizado atravs de uma lgica de controle, tal kit pode ajudar no entendimento
sobre o funcionamento do sistema ABS sem a presena do veculo.
1.1 Estrutura do trabalho
Este trabalho est organizado da seguinte forma: o captulo 2 discorre sobre uma
reviso bibliogrfica sobre o funcionamento terico dos principais sistemas de freio e do
sistema ABS; o captulo 3 trata dos mtodos utilizados para o desenvolvimento da ferramentadidtica; no captulo 4 encontram-se os ensaios executados e os resultados obtidos, no
captulo 5 tem-se as concluses obtidas dos resultados e a proposta para novos estudos e
desafios.
1.2 Objetivos
Este trabalho tem o objetivo de desenvolver um kit didtico de simulao do sistema
de freio ABS atravs da aplicao de uma lgica de controle.
1.2.1 Motivao
A principal motivao a oportunidade de desenvolver uma ferramenta didtica que
auxilie a compreender o funcionamento do sistema de freio ABS, sem a necessidade da
presena fsica do sistema ABS em um automvel para visualizar as condies operacionais
deste sistema.Outra motivao para o desenvolvimento deste trabalho a oportunidade de estudar
um sistema de grande importncia para a segurana veicular no Brasil, que pode contribuir
efetivamente na reduo de acidentes e na preservao de vidas.
Alm disso, por exigncias legais nacionais vai ser item obrigatrio em todos os
automveis vendidos a partir de 2014. (CONTRAM N 312).
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2. CONCEITOS TEORICOS
2.1 Fenmeno fsico da freagem
A freagem no conceito fsico, a transformao da energia cintica e / ou potencial em
energia trmica na forma de calor e energia acstica na forma de rudo, atravs do atrito das
superfcies de freagem, ou seja, o atrito das lonas com o tambor e o atrito das pastilhas de
freio com o disco.
Na freagem ocorre a dissipao da energia trmica nos freios por conduo, por
conveco e por radiao. (FERNANDES, 1994).
2.2 Sistema de freio hidrulico
O sistema de freio hidrulico comumente aplicado em quase totalidade dos
automveis de passeio. A sequncia de freagem iniciada atravs aplicao de uma fora
muscular no pedal de freio que transformada em presso hidrulica pelo conjunto servo-
freio / cilindro mestre, que por consequncia aciona os freios de roda (HIROAKI, 2005).
Figura 1 Sistema de freio convencional de um automvel de passeio. (BAUER, 2003).
Conforme BAUER (2003) temos os principais componentes de um sistema de freio
hidrulico comumente utilizado nos automveis de passeio que esto ilustrados na Figura 1,
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se tem: (1) freio a disco dianteiro; (2) flexvel de freio; (3) conexo hidrulica; (4) tubo de
freio; (5) cilindro mestre; (6) reservatrio; (7) servo- freio; (8) pedal de acionamento do freio;
(9) alavanca de freio de estacionamento; (10) cabo do freio de estacionamento; (11) vlvula
reguladora sensvel a carga; (12) freio a tambor traseiro. Alguns destes componentes sero
descritos em tpicos a seguir.
2.2.1 Pedal do freio
a interface entre o sistema de freio de servio e o usurio sendo que utiliza o
princpio da alavanca como o primeiro multiplicador de foras desse sistema. constitudo
por uma pedaleira com um ponto fixo e uma haste que aciona os freios quando o pedal
acionado (RIOS, 2009). A relao de pedal importante para obteno da fora de freagem e
para a sensibilidade do motorista, alm disso a posio e a relao de pedal so influenciados
por aspectos ergonmicos.
2.2.2 Servo freio
Popularmente conhecido de hidrovcuo, o servo freio um importante multiplicador
de fora para a ao de frear. Trata-se de um boosterque possui duas cmaras internamentedivididas por uma membrana que, de um lado tem ar sob presso atmosfrica e do outro lado
tem a depresso de vcuo gerada no coletor de admisso do motor ou por uma bomba de
vcuo. Essa diferena de presso no boosterajuda a diminuir o esforo do condutor, pois gera
uma fora adicional para acionamento do cilindro mestre que proporcional a rea da
membrana e ao nvel de vcuo. A Figura 2 demonstra uma vista em corte do servo freio e seus
principais componentes (BOSH, 2005).
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Figura 2 Servo freio, vista em corte. (BOSCH, 2005).
2.2.3 Cilindro mestre e conexes
O cilindro mestre composto por duas cmaras independentes de presso que formamos circuitos primrio e secundrio do sistema de freio. (RIOS, 2009).
MULLER (2009) afirma que a funo do cilindro mestre converter a fora exercida
no pedal do freio em presso hidrulica no fluido de freio. Esta presso hidrulica
distribuda pelas linhas de freio e servem para acionar os freios nas rodas.
As conexes so feitas atravs de tubos rgidos de lato nas partes fixas e mangueiras
flexveis de borracha nas partes mveis prximas s rodas. A Figura 3 mostra o conjunto
cilindro mestre e o reservatrio do fluido de freio bem como seus principais componentes(ENCICLOPEDIA MECNICA DO AUTOMOVEL, 1988).
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Figura 3 Cilindro mestre e reservatrio do fluido de freio. (ENCICLOPEDIA MECNICA DOAUTOMVEL, 1988).
2.2.4 Freio a disco
Consiste de um freio de roda, cujo princpio de atuao da aplicao de uma fora
axial das pastilhas sobre as superfcies laterais externas do disco que est solidrio a roda em
rotao (FERNANDES, 1994).De acordo com BOSCH (2005), o freio a disco pode ser do tipo pina fixa (caliper
fixo) ou do tipo pina flutuante (caliper flutuante), os freios a disco so compostos por
pastilhas de freio, pistes, discos de freio e suporte. Estes componentes so mostrados na
Figura 4 para os freios a disco com pina fixa e pina flutuante (BOSCH, 2005).
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Figura 4 Componentes do freio a disco. (BOSCH, 2005).
A pina fixa envolve o disco de freio com uma carcaa rgida e durante a freagem os
pistes com posies opostas exercem presso nas pastilhas que so movidas contra a
superfcie do disco de freio de forma independente de cada lado (ver Figura 4. a). Na pina decaliper flutuante, o pisto exerce presso somente na pastilha de freio interna que movida
contra a superfcie do disco de freio sendo que a pastilha externa puxada contra o disco de
freio atravs da reao da ponte flutuante que est interligada por guias deslizantes (ver
Figura 4. b).
As vantagens da pina de ponte flutuante em relao s pinas fixas, que requerem
relativamente menor espao para instalao do freio a disco, tem menor peso e custos
reduzidos.Em relao s desvantagens, as pinas de ponte flutuantes podem apresentar maiores
rudos, desgaste irregular nas pastilhas de freio e corroso dos elementos de guia.
A Tabela 1 traz um comparativo entre as principais caractersticas dos sistemas de
freio a disco com pina fixa e com pina de ponte flutuante, no que se refere a tamanho, peso,
rigidez, rudo, custo entre outros fatores.
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Tabela 1 Caractersticas comparativas dos calipers fixo e caliper flutuante. (BLANCO, 2008, et all).
2.2.5 Freio a tambor
O sistema de freio a tambor muito utilizado nos veculos comerciais e nas rodas
traseiras dos veculos de passeio. composto basicamente por sapatas de freio (onde so
fixadas as lonas), suporte, por cilindro de roda, tambor de freio e outros componentes.
A atuao do freio a tambor ocorre atravs da compresso radial das lonas sobre a
superfcie interna do tambor que est solidrio roda em rotao. (FERNANDES, 1994).A vantagem de se utilizar freio a tambor consiste na maior capacidade de frenagem
com a mesma presso, maior facilidade de instalao do freio de estacionamento e maior
proteo contra a contaminao (FERNANDES, 1994), contudo esses sistemas apresentam
uma no linearidade entre o torque de freio e o coeficiente de atrito, onde pequenas variaes
de atrito podem causar grandes variaes no torque de freagem. Os freios a tambor tambm
possuem uma menor faixa da temperatura de trabalho se comparado com os freios a disco e
maior suscetibilidade aofading (fadiga trmica dos freios).Para determinar as vantagens e desvantagens entre freios a disco e freios a tambor
foram desenvolvidos estudos referentes ao fator de freio (C*) que significa o ganho do
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sistema de freios, ou seja, a relao entre a fora de sada e a fora de entrada do sistema de
freios. Para um mesmo coeficiente de atrito, o freio a tambor gera um maior torque de
frenagem para um mesmo esforo de aplicao, porm o fator de freio de um freio a tambor
em geral deteriora-se com o aumento da velocidade muito mais que um freio a disco
(MLLER, 2009).
A Figura 5 mostra um sistema de freio a tambor hidrulico e seus principais
componentes. (ENCICLOPEDIA MECNICA DO AUTOMVEL, 1998).
Figura 5 Freio a tambor e seus principais componentes. (ENCICLOPEDIA MECNICA DO
AUTOMVEL, 1988).
De acordo com a enumerao dos componentes da Figura 5, so identificados os
seguintes componentes: (1) sapatas com as lonas; (2) molas de retorno; (3) cilindro de roda;
(4) pontos de fixao das sapatas; (5) articulao das sapatas; (6) prato porta lonas ou de
ancoragem; (7) tambor de freio.
2.3 Sistema de freio ABS
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Os freios devem satisfazer severos requisitos como distncias de parada, tempo de
resposta, desacelerao e entre outros. Estes requisitos so satisfeitos por ambos os tipos de
freio com ou sem ABS (GIORIA, 2008 apud BOSCH, 1995).
O sistema ABS (AntiLock Brake System) surgiu no incio do sculo XX, no setor de
transporte ferrovirio. Depois foi a vez de a indstria aeronutica adotar o sistema e j na
dcada de 70 alguns veculos especiais e inovadores j utilizavam ABS. (WILSON, 2007).
Segundo GIORIA (2008), o ABS um sistema suplementar ao sistema de freio de
servio normal, que impede o travamento das rodas nas freagens de emergncia, garantindo a
estabilidade e a dirigibilidade do veculo sendo que tambm otimiza o desempenho com a
reduo da distncia de parada em relao ao sistema de freio convencional.
A estabilidade direcional conseguida atravs do controle da velocidade das rodas e
da aplicao dos freios, sendo que quando as rodas no travam durante a freagem a
estabilidade direcional est garantida. Com a atuao do ABS as rodas esto na iminncia do
travamento durante a freagem, logo a mxima aderncia disponvel entre pneu e pavimento
utilizada, resultando na obteno da mxima desacelerao e do menor espao percorrido na
freagem (FERNANDES, 1994).
2.3.1 Principais componentes do sistema ABS
LIMA (2005), destacou os seguintes componentes como principais dos sistemas ABS:
1- Sensores das rodas: geralmente so componentes eletromagnticos que fornecem
um sinal pulsante com uma frequncia proporcional velocidade da roda.
2- Unidade de controle eletrnico (UCE): dispositivo eletrnico responsvel por
receber os sinais dos sensores e pelos clculos para gerao de sinal de controle de velocidade
das rodas, atravs de sinais enviados para os moduladores.
3- Modulador de presso de freio: dispositivo eletro hidrulico ou eletro pneumtico
utilizado para reduzir, manter e armazenar presso nos freios de roda, independente do
esforo aplicado pelo motorista no pedal e conforme os sinais de controle recebidos da UCE.
2.3.2 Funcionamento do sistema de freio ABS
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O movimento de rotao das rodas captado por um sensor atravs de uma roda
dentada que se move solidria ao cubo de roda.
Os sinais so filtrados e convertidos em informaes digitais e processados pela UCE,
que calcula a velocidade do veculo (velocidade de referncia). Alm disso, a UCE calcula o
escorregamento das rodas atravs da comparao entre a velocidade do veculo e velocidade
das rodas e caso necessrio, envia sinal para os solenoides das vlvulas do modulador de
presso de freio que em atuao mantm constante ou reduz a presso no sistema (KNORR-
BREMSE, 2007). A Figura 6 demonstra o diagrama de blocos que representa o
funcionamento eletrnico do sistema, conforme LIMA ( 2005).
Figura 6 Diagrama de blocos de um sistema de freio ABS. (LIMA, 2005).
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2.3.3 Fases do ciclo de operao do sistema ABS
Na primeira fase de atuao representada uma situao de freagem normal, portanto
a vlvula solenoide 1 est aberta (Figura 7), permitindo que a presso gerada pelo
acionamento do cilindro mestre atue diretamente sobre os freios, fazendo com que o sistema
ABS apenas monitore o sistema. A Figura 7 dispe o diagrama da primeira fase.
Figura 7 Situao de freagem normal. (TRW, 2011).
Na segunda fase o sensor envia um sinal que a UCE identifica como bruscadesacelerao da roda (iminncia de travamento), esta por sua vez envia um sinal ao
modulador de presso que entra em ao e fecha a vlvula solenoide 1, mantendo constante a
presso do sistema, independente do esforo aplicado no pedal. Nessa fase acionado o motor
eltrico que faz funcionar a bomba aumentando a presso no sistema caso seja necessrio
terceira fase. Observe a Figura 8 composta pelo diagrama equivalente segunda fase (TRW,
2011).
Figura 8 Atuao do sistema ABS em presso constante. (TRW, 2011).
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Na terceira fase a roda continua na iminncia de travamento mesmo aps a ao da
fase anterior, ento a UCE comanda a abertura da vlvula solenoide 2, com isso o modulador
reduz a presso no sistema atravs da cmara de expanso, fazendo com que a bombarecoloque o fluido no circuito normal de freagem (no caso de veculos com ABS nas quatro
rodas) ou retorne o fluido para o cilindro mestre. O diagrama da Figura 9 mostra esse
contedo.
Figura 9 Atuao do sistema ABS em reduo de presso. (TRW, 2011).
Nesta fase a roda volta a girar sem frear, pois a presso est reduzida, logo em seguida
o sensor envia novamente um sinal a UCE, que comanda o fechamento da vlvula solenide 2
e a abertura da vlvula solenoide 1. A presso no sistema de freio aumenta e o ciclo reinicia,
conforme mostrado na Figura 10.
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Figura 10 Fechamento do ciclo de atuao do sistema ABS. (TRW, 2011).
2.3.4 Conceitos bsicos do ciclo de controle.
Para entender a importncia da aplicao do sistema ABS fundamental conhecer o
conceito de eficincia da freagem, que a aderncia utilizada em relao aderncia
disponvel entre o pneu e pavimento.
Eficincia mxima de freagem definida como a utilizao da mxima desaceleraosem que ocorra o travamento das rodas, garantido ao veculo uma parada com estabilidade e
dirigibilidade pelo mximo desempenho possvel. Em um sistema de freio convencional
praticamente impossvel combinar os dois mximos, porm o sistema ABS proporciona a
otimizao desses fatores. (GIORIA et all, 2008).
Sem aprofundar-se nos conceitos de dinmica veicular, se pode observar na Figura 11
a regio de atuao do sistema de freio ABS estudadas neste tpico.
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Figura 11 Zona de atuao do sistema ABS. (HIROAKI, et all, 2005).
A Figura 11 mostra o comportamento da freagem em duas reas distintas: a rea
estvel (a) do grfico e a roda em movimento sem travamento desde o ponto A (roda rola sem
escorregar) onde a freagem segura e obtem-se o mximo desempenho do freio na zona de
atuao do ABS. A rea instvel (b), onde a influncia do escorregamento torna-se cada vez
maior com o pneu tendendo ao travamento. Essa condio que resulta na queda no
desempenho da freagem alm da perda total do controle direcional do veculo devido o
travamento da roda no ponto B.
Na Figura 12 mostrado o comportamento da velocidade angular do pneu em relao
a presso aplicada no circuito hidrulico e o ciclo de atuao do sistema ABS dividido em
fases.
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Figura 12 Velocidade angular x controle da presso aplicada no circuito hidrulico. (adaptado deGIORIA, 2008 apud BOSH, 1999).
A desacelerao perifrica da roda vai alm do limite definido (-a) no final da Fase l e a vlvula
solenoide muda para a sua posio de manter presso constante. Ainda muito cedo para comear a reduzir a
presso do freio, pois o limite (-a) pode ser excedido dentro da regio estvel da curva de escorregamento e a
distncia de frenagem pode ser otimizada. A velocidade de referncia (vREF) reduzida ao mesmo tempo de
acordo com uma rampa definida. A velocidade de referncia serve de base para determinar o limite de mudana
do escorregamento 1. No final da Fase 2, a velocidade perifrica da roda (vR) cai abaixo do limite 1. A vlvula
solenoide reage mudando para sua posio de reduzir presso. A presso do freio ento continua a cair at a
desacelerao perifrica da roda exceder o limite (-a) novamente no final da Fase 3, isto seguido por uma fase
de manter a presso com uma durao definida. Durante esta fase, a acelerao perifrica da roda aumentou o
suficiente para exceder o limite (+a). A presso permanece constante.
No final da Fase 4 a acelerao perifrica da roda excede o limite relativamente pronunciado (+A). A
presso do freio ento continua a aumentar por tanto quanto a acelerao permanecer acima do limite (+A).
Na Fase 6, a presso mantida constante em resposta ao fato de que o limite (+a) est excedido. Este
estado indica que a roda entrou na regio estvel da curva de escorregamento, e est ligeiramente sub-frenando.
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A presso do freio agora incrementada em estgios (Fase 7) em um processo que continua at a
desacelerao perifrica da roda novamente exceder o limite (-a) (fim da Fase 7). Neste momento a presso
reduzida imediatamente, sem a gerao de um sinal 1.(GIORIA, 2008).
Figura 13 Funcionamento do sistema ABS nas quatro rodas do veculo. (GIORIA, 2008 apudGILLESPIE, 1992).
Na ilustrao da Figura 13 GIORIA (2008) e GILLESPIE (1992) mostram a
velocidade do veculo sendo representada por uma reta e a velocidade de cada roda sendo
controlada pelo sistema ABS. Quando os freios so acionados as velocidades das rodas
diminuem de acordo com a velocidade do veculo na regio1, porm a desacelerao das
rodas no uniforme, principalmente quando os freios so acionados mais rapidamente ou o
pavimento for escorregadio, quando a velocidade de uma ou mais rodas comea a cair mais
rapidamente (regio2) indicando que o pneu passou da zona estvel (ponto b da Figura 11) eest na iminncia de travamento. Neste ponto o ABS intervm e alivia o freio nessas rodas
antes que o travamento ocorra (regio3). O freio reaplicado quando a roda retoma a
velocidade. (GIORIA, 2008 apud GILLESPIE, 1992).
Outra forma de representao mostrada na Figura 14.
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Figura 14 Funcionamento do sistema ABS em dois eixos. (GARDINALLI, 2005).
No primeiro tero da freagem mostrada na Figura 14 h uma queda acentuada de
velocidade no eixo dianteiro (ED) e a acelerao do veculo se mantm em nveis baixos,
porm, na medida em que o controlador ABS vai estabilizando as rodas do eixo dianteiro a
acelerao comea a crescer e o veculo vai perdendo velocidade e para totalmente em torno
de 4s. (GARDINALLI, 2005).
Os grficos de velocidade da roda e do veculo em funo do tempo mostrados acima
vo ser obtidos por simulao no kit didtico para representar o ABS atuando sem o veculo.
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3. METODOLOGIA
A metodologia definida para a realizao deste trabalho consiste em uma estrutura de
desenvolvimento dividida em trs etapas: a primeira etapa composta por um circuito
eletrnico que calcula a mdia de tenso de dois sinais de entrada, compara a mdia com
valores estabelecidos para representar as aes do ABS e identifica quais sinais de entrada
possuem valores considerados baixos e necessitam dessas aes.
A segunda etapa utilizou os conceitos e a lgica da primeira etapa para desenvolver
um software em LabView que permite simular a representao grfica do sistema ABS noapenas identificando o sinal de entrada com menor valor mas realimentando - o atravs da
atuao do sistema em malha fechada.
A terceira etapa consiste na aplicao prtica da primeira e segunda etapa no kit LJ
utilizando a lgica de controle em malha fechada para representar o sistema ABS controlando
uma das rodas do veculo durante a desacelerao de freagem.
3.1 Materiais
Para atingir o objetivo deste trabalho, foram utilizadas para a primeira e a segunda
parte duas plataformas didticas da LJ CREATE, para a terceira parte foi necessrio uma
plataforma e um gerador de sinais.
Cada uma das plataformas constituda de trs conjuntos de placas bsicas sendo:
conjunto servomecnico, conjunto controlador e conjunto sinal referncia. Neste estudo ser
abordado com mais detalhe os componentes desses conjuntos que esto relacionados ao
desenvolvimento deste trabalho, uma ficha completa pode ser encontrada no ANEXO A. A
Figura 15 ilustra o conjunto servomecnico.
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Figura 15 Conjunto servomecnico.
Para simular a atuao dos freios ABS em bancada necessrio ter um gerador de
velocidade angular, um sensor de rotao para medir essa velocidade e cargas para variar essa
velocidade; a plataforma escolhida possui esses trs componentes bsicos para simulao e
realizao dos experimentos. A Tabela 2 mostra os componentes e suas respectivas funes.
Tabela 2 Componentes e funes do conjunto servomecnico.
Componentes funesMotor dc Gerador de velocidadeTaco gerador Sensor de rotaoFreio magntico Redutor de velocidade
utilizado um motor CC capaz de atingir 2500 rpm em ambas as direes.
O taco gerador atua como sensor de rotao, gerando uma tenso de sada
proporcional a rotao do seu eixo .
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O freio magntico composto por um im permanente preso a uma haste pivotada e
possui trs posies para variao de carga, sendo a primeira posio sem carga, a segunda
carga parcial e a terceira carga total.
O conjunto sinal de referncia consiste em uma placa com um potencimetro.
alimentado de -12v a +12v e fornece tenso de sada entre -5v e +5v. a Figura 16 ilustra esse
conjunto.
Figura 16 Conjunto sinal de referncia.
O terceiro e ultimo conjunto um comparador e controlador dos sinais de entrada e da
varivel manipulada. composto por um controlador PID, um amplificador de sinal, filtros e
inversores de sinal, que permitem realizar os ajustes dos sinais de realimentao fornecidos
pelo conjunto sevomecnico. A Figura 17 mostra a ilustrao desta placa.
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Figura 17 Conjunto controlador.
A escolha dessa plataforma foi baseada nos seguintes critrios:
Lay outsimples;
Disponibilidade de literatura tcnica;
Facilidade de instrumentao;
Disponibilidade dos equipamentos.Essa plataforma ser abordada a partir desse pargrafo como o veculo e o sistema de
freio ABS, portanto quando aparecerem termos como velocidade do veculo, atuao do freio
ABS entre outros, est se fazendo referncia ao kit didtico em desenvolvimento e no ao
veculo fsico propriamente dito.
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3.2 Mtodo.
Na primeira etapa deste trabalho o objetivo representar uma lgica de mdiaaritmtica para duas rodas, considerando o valor mdio como referncia e adotando um valor
percentual para cada ao do sistema ABS: valor maior para ao de presso constante e valor
menor para ao de reduo de presso. Quando a referncia for menor que o percentual
estabelecido para presso constante o circuito acende um led (amarelo) e identifica a roda
com iminncia de travamento e a representa acendendo um segundo led (amarelo). Para a
ao de reduo de presso o valor referencial precisa ser menor que o percentual
estabelecido para esta condio, assim sendo acender um led de cor vermelho e os
indicadores das rodas permanecero os mesmos. Os sinais de entrada so lineares, portanto
podem ser lidos atravs dos tacos geradores das plataformas LJ no caso da primeira etapa.
Optou-se por circuitos analgicos para a primeira etapa.
3.2.1 Primeira etapa: Circuito analgico.
Os sinais de entrada possuem uma variao de tenso de 0 a 5V proporcional variao de rotao. O circuito somador mostrado na Figura 18.
Figura 18 Circuito Somador.
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Esse circuito define a mdia dos valores de entrada (E1 e E2) e executa a comparao
com as referncias (Rf1 e Rf2, valores equivalentes a 92%da mdia) atravs das seguintes
etapas:
- Soma as entradas E1 e E2 e efetua a mdia atravs da equao a.
(a) (E1+E2) / 2 = M
Sendo: E1 = entrada lado esquerdo.
E2 = entrada lado direito.
M = Mdia.
- Executa a comparao das referncias 1e2 com o valor de cada entrada.
(b) 0,92% * M > E1 acende ledamarelo lado esquerdo.
(c) 0,92% * M > E2 acende ledamarelo lado direito.
- Fornece o valor mdio (M) para os circuitos Mdia1 e Mdia2.
- Adotam-se dois valores de referncia (VrABS1 e VrABS2): um valor (VrABS1)
representa presso constante conforme circuito da Figura 19 e o outro (VrABS2) representa o
sistema de freio ABS em reduo da presso no circuito de freio para evitar o travamento da
referente roda, demonstrado no circuito da Figura 20.
O objetivo de acender o led referente roda mostrar aquela que necessita ser
controlada.
3.2.2 Representao da ao de presso constante
A referncia VrABS1 equivale de 82% a 92% da mdia obtida com o sistema sem
carga aplicada e possui uma variao de tenso entre 4,1 e 4,6V. A Mdia1 representa um
valor aproximado VrABS1. Atravs da aplicao do primeiro estgio do freio magntico em
uma ou duas rodas feito uma comparao entre os valores mdia1 e VrABS1, caso Mdia1
for inferior acender o led amarelo representando presso constante, se no for, acender o led
verde. A Figura 19 mostra o circuito comparador Mdia1.
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Figura 19 Circuito comparador Mdia1.
3.2.3 Representao da ao de reduo de presso.
A referncia VrABS2 equivale de 62% a 81,5% da mdia obtida com o sistema sem
carga aplicada e possui uma variao de tenso entre 3,1 e 4,075V. A Mdia2 representa um
valor aproximado VrABS2. Atravs da aplicao do segundo estgio do freio magntico em
uma ou duas rodas feito uma comparao entre os valores Mdia2 e VrABS2, caso Mdia2
for inferior acender o ledvermelho representando reduo de presso, se no for, acender oledverde. A Figura 20 mostra o circuito comparador Mdia2.
Figura 20 Circuito comparador Mdia2.
O que diferencia as Mdias 1 e 2 so os valores VrABS1 e VrABS2. A Tabela 3
resume os resultados das mdias obtidas atravs das aplicaes do freio magntico.
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Tabela 3 Resultado das aplicaes do freio magntico.
Conjunto servomecanico1 Conjunto servomecnico2 Resultado
1) Livre Livre Livre2) Carga parcial Carga parcial Mdia13) Plena carga Carga parcial Mdia24) Plena Carga Plena carga Mdia 2
Compreende-se como livre (1) a condio de operao do veculo sem atuao do
sistema de freio, considerando rodagem no plano e sem diminuio de velocidade; com carga
parcial em ambas as rodas (2) a condio onde ocorre a diminuio de velocidade e a
Mdia1 inferior a VrABS1, que referncia para a representao da ao de presso
constante no sistema de freio; plena carga em uma das rodas e a outra com carga parcial (3),
traduz atrito diferente em cada roda (-split) e a Mdia pode atingir o VrABS2, diminuindo a
presso no circuito hidrulico da roda que estiver na iminncia de travamento; se as duas
rodas estiverem com carga total (plena carga), ambas as mdias atingiro o valor VrABS2,
que referncia para reduo de presso no circuito hidrulico da(s) roda(s) na iminncia de
travamento. Esses dados compem a tabela 4.
Tabela 4 Atuao do freio ABS.
Conjunto servomecanico1 Conjunto servomecnico2 Atuao do freio ABS1) Livre Livre Livre2) Carga parcial Carga parcial Presso constante3) Plena carga Carga parcial Diminuio de presso4) Plena Carga Plena carga Diminuio de presso
A Tabela 4 representa a atuao do freio ABS de acordo com a aplicao do freio
magntico em cada um dos conjuntos servo mecnico. Os valores VrABS1, VrABS2,
referncia1 e referncia2 foram calculados de acordo com a escala, a preciso e o range do kitLJ, portanto so vlidos somente para este tipo de plataforma em particular.
3.3 Segunda etapa: Representao grfica do sistema ABS atravs daferramenta computacional Labview.
Na segunda etapa o objetivo representar graficamente o sistema ABS atravs do
desenvolvimento de um software que utilize a mesma lgica aplicada na primeira etapa
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incrementando a realimentao do sistema. Para isso escolheu-se a linguagem de
programaoLabview, desenvolvendo um programa conforme o fluxograma da Figura 21.
Figura 21 Fluxograma principal da programao utilizada.
Os dois sinais de entrada (E1 e E2) representam os sensores de rotao da roda, os
dois sinais de referncia (Rf1 e Rf2) so responsveis por determinar qual ao o ABS deve
aplicar, ou seja, pr-estabelecido um valor mnimo para representar a ao de presso
constante; enquanto o valor mdio (M) for superior a essa referncia o sistema funciona
normalmente e nenhuma ao tomada, a partir do momento em que a mdia for inferior
acender o indicador maior da cor amarela com a sigla ABS (ABS1), alm disso, o valor de
cada entrada comparado com 90% da mdia, o sinal que estiver inferior essa porcentagem
acender um indicador de cor amarela com a finalidade de demonstrar que o mesmo necessita
de uma ao do ABS. Por exemplo, se os sinais de entrada em tenso forem E1 = 3,5V e E2 =
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4,5V, a mdia ser M = 4V e consequentemente 90% de M (0,9 * M) ser 3,6V, portanto E1