Notícias
Vídeos

Sistema de freio antitravamento ABS - desenvolvido para aviões e depois aplicados nos carros


O sistema ABS, ou de regulação anti-bloqueio, adiciona a função antitravamento ao sistema básico de frenagem e tem como função otimizar o processo com o objetivo de contribuir à estabilidade e à segurança do veículo

Por: Humberto Manavella - 19 de abril de 2022

Os primeiros sistemas ABS foram aplicados no início dos anos 60, na indústria aeronáutica, nos grandes jatos de passageiros.

A primeira aplicação automotiva de produção em série foi a do sistema Bosch 2S em 1978.

O sistema ABS, em conjunto com o controle de tração (TC ou ASR) e a suspensão pilotada ou suspensão eletrônica, integra o “Programa Eletrônico de Estabilidade”, identificado com a sigla ESP. 

A seguir, alguns conceitos necessários ao entendimento do funcionamento do sistema de freio.

- Força: É toda ação capaz de alterar a velocidade de um corpo.

- Aceleração: É o estado de um corpo cuja velocidade varia. Quando a velocidade aumenta, a aceleração é positiva. Quando diminui, a aceleração é negativa ou desaceleração.

Para que haja aceleração, a modificação de velocidade pode ser tanto no seu valor como na sua direção. Neste último caso, a aceleração é centrífuga.

- Energia cinética: É a energia mecânica que possui um corpo em movimento. 

- Força de Frenagem: É a força resultante do mecanismo de frenagem e que se estabelece no sentido contrário ao movimento do veículo, no ponto de contato do pneu com a pista.

- Atrito, fricção: É a resistência ao movimento relativo entre dois corpos em contato. 

- Coeficiente de atrito: É a relação entre a força de atrito e a força normal (perpendicular) à superfície de contato, entre dois corpos em movimento relativo ou com tendência ao movimento.

A fricção manifesta-se de duas formas:

1) Fricção estática;

2) Fricção de movimento, de deslizamento ou cinética.

E depende:

- Da natureza dos materiais que constituem os objetos em contato;

- Da rugosidade das superfícies em contato;

- Da pressão ou força que os mantém em contato;

- Da velocidade relativa entre os objetos. Esta última característica é própria da fricção cinética.

Na figura ao lado, ao acionar o pedal, é gerada uma força hidráulica Fh que comprime as pastilhas contra o disco. A fricção entre as superfícies tende a frear o disco, gerando calor. A força de frenagem Ff se opõe ao sentido de rotação do rotor (disco). Com o rotor girando o que existe é fricção cinética ou de movimento, sendo o resultado a geração de calor. Quando o freio é acionado, a fricção de deslizamento entre os componentes do freio provoca a diminuição da velocidade de rotação das rodas. Isto, por sua vez, aumenta a fricção estática entre os pneus e o piso, diminuindo a velocidade do veículo. Se a fricção cinética dos componentes do freio supera a fricção estática entre os pneus e o piso, a roda se bloqueia (trava) e o veículo começa a deslizar.

Outra forma de analisar o processo é apresentada na figura abaixo. O peso P do veículo gera duas forças opostas, ao ser aplicado o freio:

- Uma força Fv, que depende do peso do veículo e das características da superfície de contato entre o pneu e a pista (fricção estática). 

- Uma força Ff (força de frenagem), que depende da característica da superfície de contato entre os componentes do freio; discos e pastilhas ou tambores e lonas (fricção cinética).

A frenagem é estável sempre que Fv é superior a Ff. No caso contrário (Ff maior que Fv) a roda trava e o veículo fica fora de controle. Se as que bloqueiam são as rodas dianteiras, o veículo perde a dirigibilidade. 

Portanto, a frenagem mais efetiva é conseguida quando a fricção de deslizamento dos componentes do freio é levemente inferior àquela que provoca o bloqueio ou travamento das rodas.

Precisamente, é esta a função do sistema ABS que atinge tal objetivo acionando e liberando os freios, eletronicamente, várias vezes por segundo.

- Deslizamento. É o movimento relativo entre dois corpos em contato. Durante a frenagem, se verifica a existência de deslizamento entre os elementos do sistema de freio, ou seja, entre as pastilhas e os discos ou entre as lonas e os tambores. 

Também há deslizamento entre os pneus e a pista. Ao pressionar o pedal, a velocidade das rodas é gradualmente reduzida e não corresponde com a velocidade da carroçaria. Verifica-se, portanto, certo grau de deslizamento (patinação) entre os pneus e a pista.

Com velocidade constante, a velocidade da carroçaria (velocidade do veículo) Vv é igual à velocidade tangencial das rodas Vtr. A velocidade angular (de rotação) da roda é Var.

A condição de 0% de deslizamento indica que a roda gira livremente. Já 100% de deslizamento é indicação de roda travada (bloqueada), patinando sobre a pista. A força de frenagem atinge seu valor máximo para relações de deslizamento entre 10% e 35%; isto dependendo do tipo e condição da pista.

O gráfico da figura abaixo apresenta as curvas que relacionam a “força de frenagem aplicada” e a “força necessária à frenagem da roda”, com a porcentagem de deslizamento da roda com relação ao pavimento.

A “força de frenagem aplicada” é aquela resultante da pressão hidráulica produzida pelo pedal. A “força de frenagem necessária” é aquela utilizada para manter a relação de deslizamento num valor determinado. Assim, com uma força F1 pode ser mantida uma relação de deslizamento de 18% (ponto 1) ou de 70% (ponto 1a).

O ponto (1a) só poderá ser atingido se a força aplicada for igual (ou ultrapassar) ao valor máximo FA e, imediatamente, o pedal for aliviado, para produzir uma força de valor F1.

Já com uma força F2 só pode ser mantido um deslizamento de 12%.

Como pode ser observado, sem a ação do ABS, o deslizamento da roda aumenta linearmente com o aumento da força de frenagem aplicada no pedal até, aproximadamente, 35% de deslizamento (ponto A). A partir deste ponto, a força aplicada (linha tracejada) resulta maior que aquela necessária à manutenção do grau de deslizamento dentro de níveis aceitáveis.

Portanto, na medida em que o motorista aplica uma força inferior àquela máxima (FA) do ponto A, o deslizamento aumenta proporcionalmente. No entanto, se a força aplicada supera esse máximo, imediatamente, a roda trava e o deslizamento passa para 100% (velocidade tangencial da roda igual a zero). Isto, porque, a partir do ponto A, a força aplicada é superior àquela necessária à frenagem da roda.

Para o exemplo da acima o ABS atua na faixa de 10%-35% de deslizamento, evitando assim, o bloqueio da roda.

Na figura abaixo são apresentadas curvas de força de frenagem/deslizamento para 4 condições de coeficiente de fricção:

[1]. Pavimento de concreto seco;

[2]. Pavimento molhado;

[3]. Neve;

[4]. Gelo.

Na situação [3] verifica-se um aumento da força necessária para deslizamentos acima de 90%, devido a que a roda prestes a travar empurra a neve formando uma cunha na sua frente.

Controle da Frenagem

Quatro fatores determinam a capacidade de frenagem de um sistema, sendo que os primeiros três controlam a geração da força de fricção:

1. Pressão exercida pelo sistema hidráulico.

2. Coeficiente de fricção dos materiais em contato. 

- Se o coeficiente dos elementos de fricção for maior que o especificado, as frenagens não serão suaves, podendo resultar em travamento prematuro das rodas. 

- Se o coeficiente for menor que o especificado, o elemento de fricção tenderá a deslizar sobre a superfície do tambor ou do disco, sem diminuir a velocidade de rotação.

3. Superfície de contato dos elementos de fricção. Freios maiores, com maior superfície de contato, conseguem frear mais rapidamente as rodas.

4. Calor dissipado pelo sistema. É o resultado da fricção. Quanto maior a superfície dos elementos de frenagem, mais rapidamente o calor é dissipado. Sistemas que não conseguem dissipar convenientemente o calor gerado pela fricção experimentam perda de força de frenagem durante freadas acentuadas e contínuas.

Componentes do Sistema ABS - O sistema ABS é um sistema de controle que funciona em malha fechada e consiste de:

- Um sistema controlado: O veículo durante o processo de frenagem.

- O controlador: Composto dos sensores de velocidade das rodas e da unidade de comando ABS, esta, associada a uma unidade eletro-hidráulica.

- A variável controlada é a velocidade tangencial (aceleração/desaceleração) das rodas.

Basicamente, o sistema ABS adiciona ao sistema de freios convencional os seguintes componentes:

1. Sensor de velocidade de rotação da roda

Os utilizados atualmente são:

- Sensor de relutância magnética variável associado a uma roda dentada (roda fônica) solidária ao cubo da roda. 

- Sensor Hall associado a um disco magnetizado solidário ao cubo da roda.

- Sensor magnetorresistivo associado a um disco magnetizado solidário ao cubo da roda.

O sensor de velocidade é de fundamental importância nos sistemas ABS/TC/ASR em função de que é a partir da comparação de velocidade das rodas que a unidade ABS determina a condição de travamento ou de patinagem.

2. Unidade eletrônica de comando

As atualmente utilizadas são do tipo digital com capacidade de autodiagnóstico e armazenamento de falhas, as que podem ser recuperadas através de equipamento de teste (“scanner”). As primeiras aplicações (ABS 2S da Bosch) utilizaram unidades analógicas, sem capacidade de autodiagnóstico. 

3. Unidade eletro-hidráulica ou modulador eletro-hidráulico

Este é um elemento mecânico que contém:

- A bomba hidráulica: Tem a função de retornar o líquido ao cilindro mestre.

- O conjunto de válvulas solenoides através do qual a UC modula a pressão hidráulica.

4. Interruptor do pedal de freio

Fornece o sinal que indica à UC que o pedal foi acionado. Geralmente, é utilizado o sinal do interruptor da luz do freio.

5. Lâmpada indicadora do sistema ABS

Acesa durante a partida para verificação do seu funcionamento. Em presença de falha, a UC ativa a lâmpada e desativa o sistema ABS.