A influência da geometria da caixa de roda no perfil de temperatura de um tambor de freio usado em ônibus urbano

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1 A influência da geometria da caixa de roda no perfil de temperatura de um tambor de freio usado em ônibus urbano Evandro Beninca 1, Marcos Alexandre Luciano 2 e Carlos Alberto Costa 3 1 Engenheiro Mecânico, Freios Master SA, evandro.beninca@freiosmaster.com, 2 Dr. Eng., Universidade de Caxias do Sul CCET/PPGMEC, marcos.luciano@ucs.br, 3 Ph.D., Universidade de Caxias do Sul CCET/PPGMEC, cacosta@ucs.br Resumo Temperaturas elevadas nos sistemas de freio reduzem sua eficiência pela diminuição progressiva do atrito entre as lonas e os tambores de freio. O objetivo deste trabalho é analisar o comportamento do fluxo de ar em diferentes geometrias de caixa de roda de ônibus urbano, avaliando por meio da simulação computacional, as que propiciam os maiores fluxos de ar e a consequente redução das temperaturas do sistema de freio. As análises numéricas foram realizadas utilizando o software Flow Simulation. Foram avaliadas oito geometrias de caixa de roda em duas velocidades distintas ( e ). Sete geometrias apresentam variação no ângulo de abertura entre 90º e 150º, enquanto a oitava geometria possui formato circular. Por meio das análises foi possível perceber um comportamento de redução de temperatura semelhante, não sendo a principal responsável pelo resfriamento do sistema de freio. Palavras-chave: Sistema de freio automotivo, freio a tambor, temperatura em sistemas de freio, efeito do ar; simulação computacional. Abstract High temperatures in the brake systems reduce its efficiency by the gradual reduction of friction between brakes pads and drums. The objective of this study is to analyse the airflow behaviour in different geometries of urban bus wheel box, evaluating by computational simulation, those ones that provide the best airflow, resulting in brake system temperature reduction. The numerical analyses were performed using the software Flow Simulation. Eight wheel box geometries were evaluated in two different speeds ( and ). Seven geometries had opening angle variation between 90 o and 150 o, while the eighth had circular geometry. Through the analysis, it was possible to see a similar temperature reduction behaviour through the different configurations, resulting in no significant differences in the brake system cooling. Keywords: brake system; drum brake; cooling; air effects. I. INTRODUÇÃO A principal função de um sistema de freio é reduzir a velocidade de um veículo em movimento, transformando a energia cinética em energia térmica [1, 2]. Esta transformação é realizada pelo contato entre os elementos de desgaste e os elementos rotativos ligados a roda, que dependendo das condições de operação, geram temperaturas elevadas. Os sistemas de freio são projetados para trabalhar dentro de uma determinada faixa de temperatura, porém quando operados fora desse limite seu desempenho fica comprometido. As altas temperaturas causam redução do atrito, deformações dos componentes, perda de propriedades de molas e graxas e travamento do sistema, comprometendo a segurança do veículo. Entretanto, não só os elementos do sistema de freio podem ter sua vida reduzida, mas também os pneus sofrem com as altas temperaturas propagadas pelo sistema de frenagem. O ideal é que o pneu se mantenha em 80 C. Após esta temperatura ocorre a degradação térmica dos talões, que reduz progressivamente sua vida útil [3]. Este trabalho apresenta o comportamento do fluxo de ar em diferentes geometrias de caixa de roda e sua influência na temperatura de um sistema de freio a tambor utilizado em ônibus urbano. Inicialmente são apresentados alguns conceitos relativos a sistemas de freio a tambor e a dinâmica dos fluidos computacional. Na sequência são apresentadas as condições de contorno usadas na montagem do modelo computacional. Por fim são apresentados os resultados obtidos pela simulação de oito diferentes geometrias de caixa de roda comparando a temperatura final do tambor após 0 segundos. II. TEMPERATURAS NOS SISTEMAS DE FREIO Para que um sistema de freio a tambor mantenha condições normais de operação o mesmo deve operar em uma faixa máxima de temperatura de 400 a 427 C [1, 4, 5]. Acima desses valores o coeficiente de atrito é afetado e o diâmetro do tambor aumenta com o acréscimo da temperatura. A 375 C, o diâmetro do freio de um veículo pode aumentar de 1 a 1,5 mm, com isso o curso do cilindro de freio fica mais longo, suficiente para aumentar de 30 a 40% o valor do curso do pedal. Além disso, o aumento do diâmetro do tambor causa contato inapropriado com a lona de freio, que resulta em um pico de pressão, aumento local da temperatura e uma variação do torque de frenagem [4, 5]. Para entender a dissipação de calor em um sistema de freio a tambor é preciso analisar todo o sistema. Para isso, é usado o conceito de circuito térmico para modelar o escoamento do calor da mesma forma que os circuitos elétricos podem ser usados para a corrente elétrica. A dissipação do calor gerado no freio para o meio ambiente é um fator importante de desempenho,

2 principalmente nas frenagens intermitentes, mas constantes, ou de longa duração [6]. A dissipação do calor se faz das seguintes maneiras: condução, radiação e convecção. A condução ocorre por meio dos componentes do sistema de freio e é de pequena importância. A radiação é dependente do valor da temperatura do sistema de freio. Por fim a convecção é o fator mais significativo na troca de calor com o meio ambiente. É função da quantidade e qualidade da área externa do sistema em contato com o fluído refrigerante (ar), diferença de temperatura entre eles, velocidade e turbulência do fluxo sobre o sistema [7]. III. DINÂMICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONAL A análise de fluxo sobre um veículo deve ser considerada como um escoamento turbulento e descrita pelas equações de Navier-Stokes [8]. Estas, expressam o equilíbrio de todas as forças (inércia, pressão e viscosidade) que atuam sobre um elemento de volume do fluxo. Um fator importante para a análise aerodinâmica por volumes finitos é a consideração das rodas em movimento. É importante considerar a rotação das rodas em pequenas e altas velocidades, pois os resultados são significativamente diferentes [9]. Softwares CFD (Computational fluid dynamics) utilizam diferentes métodos para resolver as equações de Navier-Stokes. Três métodos para o estudo numérico dos efeitos da turbulência em escoamentos são os mais usados, a saber: RANS (Reynolds Averaged Navier- Stokes), LES (Large Eddy Simulation) e DNS (Direct Numerical Simulation) [10]. O método RANS necessita da modelagem completa dos efeitos da turbulência em todas as escalas do movimento, além de resolver apenas escoamentos médios ou em regime estatisticamente estacionário. No outro extremo está o DNS o qual resolve as equações instantâneas de Navier-Stokes sem a necessidade de qualquer modelagem matemática para os efeitos da turbulência, ou seja, nesse método todas as escalas e seus efeitos sobre o escoamento são incluídos diretamente. O método LES se encontra no meio termo entre a RANS e DNS, em que as grandes escalas turbulentas são resolvidas e modelam-se apenas as pequenas escalas [10]. IV. MODELO PARA A SIMULAÇÃO NUMÉRICA A primeira etapa consistiu em uma pesquisa com o intuito de determinar características geométricas e construtivas em carrocerias de ônibus que possam influenciar o fluxo de ar na região das rodas do eixo dianteiro. As características foram separadas em seis grupos [11], baseados nos resultados das análises de fluxo sobre uma carroceria de ônibus, a saber: geometria da caixa de roda, alinhamento da porta, aro de roda, alinhamento da roda, geometria frontal e distância frontal. Neste trabalho foi considerado um tambor de freio com diâmetro interno de 410 mm. Além disso, considerou-se apenas a geometria da caixa de roda como meio de influência no comportamento dos vórtices de ar no seu interior, afetando o resfriamento do sistema de freio. Foram simuladas 8 geometrias sendo uma circular e sete trapezoidais (variação no ângulo de abertura entre 90 e 150 ). A figura 1 mostra a geometria circular e a trapezoidal com ângulo de 130. Figura 1 Modelos de caixa de roda usadas na simulação. V. SIMULAÇÃO NUMÉRICA Os softwares CFD necessitam de condições de contorno para a solução das equações e, nesse caso, são definições de valores de temperatura, pressão, velocidade do fluxo de ar, etc. Outros parâmetros definidos nesta simulação são referentes ao regime da análise (estacionária ou transiente), tempo de simulação, movimento de rotação das rodas e tipo de análise (externa ou interna). Para considerar a influência da geometria da caixa de roda é necessário usar um regime de análise transiente devido a variação da temperatura em função do tempo. Para tanto, tomou-se como referência o tempo de simulação de 30s com o intuito de verificar a estabilização da temperatura do tambor [7]. Entretanto, em função dos recursos computacionais disponíveis, iniciou-se a simulação com um tempo de 400s. Para o tempo de simulação de 400s, as temperaturas do tambor tiveram pouca alteração na temperatura. Deu-se continuidade à análise e com 0s de simulação foi possível obter dados aceitáveis para a comparação. A condição de contorno de rotação das rodas e movimento do piso é necessária em qualquer simulação que envolva veículos, pois os efeitos vinculados a estes movimentos influenciam os resultados. A análise foi tratada como interna, para tanto, foi preciso colocar o modelo em uma caixa denominada de enclosure. As dimensões desta caixa devem ser encontradas por meio das simulações, onde as linhas de fluxos não devem retornar devido ao choque com as paredes da caixa, influenciando o resultado. O método numérico de resolução utilizado pelo Flow Simulation (versão 2013 SP0.0) é o Favre Averaged Navier-Stokes [12]. O modelo de turbulência utilizado foi o I-L (I - Turbulence Intensity: 2,00 % e L - Length: 0,013 m). Os valores usados nessa simulação são padrões do software. A figura 2 mostra as condições de contorno impostas na análise como, por exemplo: velocidade da entrada de ar (16,66 m/s), parede ideal, pressão de saída

3 (101,325 Pa), parede real com movimento de rotação (5,3 rad/s) e parede real com movimento de translação (16,66 m/s). Figura 4 Fluxo com o movimento das rodas. Figura 2 Condições de contorno utilizadas na simulação. Para simplificar a análise da temperatura foram selecionadas duas regiões na superfície do tambor, chamadas de região A e região B (figura 3) e sobre as quais serão medidas as temperaturas mínima, média e máxima nestas duas regiões. Figura 3 Regiões de controle de temperatura. A figura 5 mostra a influência da geometria da caixa de roda na formação dos vórtices em seu interior. Os diferentes vórtices não influenciam na temperatura do freio conforme os resultados obtidos neste trabalho, mas podem auxiliar a entender o comportamento, utilizando os resultados na construção de geometrias que possam direcionar estes vórtices para o efetivo resfriamento do sistema de freio. Figura 5 Predição de fluxo em caixa de roda 150 ( ). A região A foi escolhida, pois é nela que ocorre a geração da energia térmica pelo contato da lona com o tambor no momento da frenagem. É nesta região também que normalmente são feitas as medições experimentais de temperatura. A região B foi escolhida para analisar o resfriamento causado pelo fluxo de ar que atinge o tambor proveniente dos furos de ventilação da roda. VI. RESULTADOS DA SIMULAÇÃO Na figura 4 é mostrado o comportamento do fluxo considerando o movimento das rodas para o veículo trafegando a hm/h. A escala mostrada à esquerda da figura apresenta a variação da velocidade do fluído entre um mínimo de 0,014 e um máximo de. A simulação mostrou um desvio da trajetória do fluxo, que o faz contornar a caixa de roda. Devido a isto, concluise que apenas uma parcela do fluxo que atinge a caixa de roda resfria o sistema, a grande parcela escoa pela lateral da roda. Considerando o perfil de velocidades, bem como os vórtices gerados pelo fluxo, é possível observar na análise térmica do tambor uma maior redução da temperatura nas áreas próximas aos furos de ventilação da roda. Após as simulações os principais resultados foram agrupados e estão apresentados na Tabela 1, onde, Max Temperatura Tambor é a máxima temperatura encontrada no tambor, VM Temperatura Tambor é o valor médio das temperaturas encontradas. A Min Temperatura Tambor é a temperatura mínima encontrada e está localizada no contato do tambor com o aro de roda. As simulações foram realizadas considerando duas velocidades para o veículo, a saber: e. Os valores das temperaturas para as duas velocidades e para

4 as diferentes geometrias de caixa de roda são apresentados na tabela 1. Tabela 1 Resultados de temperatura no tambor de freio após 0s. TAMBOR GERAL Min. Temp. VM Temp. Max. Temp. Circular Fonte: Elaborada pelo autor. As variações de temperatura podem ser admitidas pequenas, considerando os valores normalmente existentes nos sistemas de freio. Outro aspecto importante é que a geometria circular, considerando as análises realizadas, não apresentou mudança na temperatura mesmo que a velocidade do veículo tenha duplicado. Considerando os valores mínimos de temperatura, existentes no tambor de freio, houve alteração de 1ºC em função da alteração de velocidade ( para ). Quando se analisa a máxima temperatura do tambor, a geometria circular possui uma temperatura de 70 C que se mantém mesmo com a variação da velocidade. As outras geometrias apresentam uma temperatura inicial um pouco superior, 71 ºC, mas quando a velocidade é alterada atinge o valor de 66 C. Isso indica que a combinação desse tipo de geometria com a velocidade do veículo pode dar boas condições de refrigeração do sistema de freio do veículo. Na figura 6 é apresentada a distribuição de temperatura do tambor na velocidade de, onde se percebe que as regiões onde a temperatura varia entre 48,6 C e 52,3 C (região em azul) são as regiões da Min Temperatura Tambor causada pelo contato do tambor com o aro de roda. Figura 6: Distribuição de temperatura no tambor de freio ( ) Temperatura C É possível verificar que não há diferenças significativas de temperatura utilizando diferentes geometrias de caixa de roda. Nas análises pode-se observar a redução da temperatura com o aumento da velocidade do veículo. Este aumento se deve ao volume do fluxo ser proporcional à velocidade, ou seja, quanto maior o fluxo mais eficiente se torna o resfriamento. VII. CONCLUSÃO Este trabalho teve como objetivo verificar a influência de diferentes geometrias de caixa de roda na redução das temperaturas do sistema de freio. Pela análise numérica verificou-se que a geometria da caixa de roda não exerce influência significativa no comportamento das temperaturas do sistema de freio. Entretanto, ocorreu uma variação de 5 C na caixa de roda variando a velocidade de para. O uso de dinâmica de fluidos computacional mostrou-se uma ferramenta válida para prever o comportamento de temperaturas e fluxos para o projeto de novas geometrias de caixa de roda que melhorem a condição do fluxo de entrada ou que direcionem este fluxo para os pontos que precisam de maior resfriamento. Para trabalhos futuros sugere-se a continuação das simulações para o restante das características que foram separadas em grupos neste trabalho, além da comparação de resultados utilizando outros softwares de CFD. REFERÊNCIAS [1] LIMPERT, R. Brake design and safety. 3. ed. SAE International, p. [2] BOSCH, R. Automotive brake systems. 1. Ed. SAE International, p. [3] ALAPA. Associação Latino Americana de Pneus e Aros. Disponível em: < me/home.aspx>.acesso em: 24 mar.2013, [4] EPPLER, S., KLNK, T., WIEDEMANN J. Thermal simulation within the brake system design process. SAE Paper [5] SHOME, B.; KUMAR, V.; CHACKO, S.; PALUSKAR, V. R.; SHRIDHARE, M. V. Numerical simulation of drum brake cooling for heavy trucks. SAE Paper No , [6] CANALE, A. C. Automobilística Dinâmica e desempenho. 1 ed. São Paulo: Érica, p. [7] SOUZA, A.; TRAVAGLIA, C. A. P.; ARAÚJO, J.; BOCHI, M.; YONEDA, A.; COSTA, Á,; CUNHA, R.; BENINCÁ, E. Analysis of drum brake system with computational methods. SAE Paper No , [8] HUCHO, W. H. Aerodynamics of road vehicles. 4. ed. SAE International, p. [9] HUMINIC, A.; CHIRU, A. On CFD Investigations of Vehicle Aerodynamicswith Rotating Wheels. SAE Paper No , [10] FUKUMASU, N. K. Modelagem de uma chama de difusão turbulenta pela simulação de grandes escalas. Dissertação (Mestrado), USP São Paulo, p.

5 [11] CARREGARI, A. L. Estudo do escoamento de ar sobre a carroceria de um ônibus usando um programa de CFD e comparação com dados experimentais. Dissertação (Mestrado), USP São Paulo, p. [12] MATSSON, J.E. An introduction to Solidworks Flow Simulation Ed. SDC publications. 2012