1) O documento descreve uma simulação computacional do comportamento térmico de um disco de freio durante a frenagem. 2) Foi utilizado o método de elementos finitos para simular a dissipação de calor gerada durante a frenagem e estudar como isso afeta o disco de freio. 3) Os resultados da simulação mostraram que os furos adicionados ao disco de freio para melhor dissipação de calor reduziram em quase 130°C a temperatura concentrada durante a frenagem.

1. COMPORTAMENTO TÉRMICO DE UM DISCO DE
FRENAGEM: UMA ABORDAGEM COMPUTACIONAL
AUTOR : PEREIRA S. S. ¹ ; CO-AUTOR: LIMA, D. S. ¹
ORIENTADOR: CAMARGO, R. ¹
1 UNISAL, campus São José, Campinas / SP
Introdução: Hoje para a engenharia moderna, a metodologia CAE é utilizada na
etapa de desenvolvimento de produto. Com ela é possível fazer simulações que
possibilitam observar o comportamento do modelo gerado no CAD, e fazer
alterações de possíveis defeitos durante a vida útil. Com isso, possibilita projetar
não só o produto, mas também promover toda uma simulação computacional de
toda a condição térmica do modelo, como forma de prever uma futura falha no
conjunto, no momento de solicitação de frenagem.
Empregado em diversos setores da Engenharia, a simulação computacional
possibilita não somente validar, mas também gerar novas estruturas para cada
aplicação, através do recurso de otimização topológica gerado pelo método dos
elementos finitos. Abaixo encontra-se um case demonstrando alguns perfis de
Disco de Freio gerados por simulação computacional .
Metodologia: Será empregado uma metodologia para síntese e análise térmica,
baseada na termodinâmica, tendo como solver o método dos elementos finitos. A
análise térmica terá como princípio os fundamentos a dissipação de calor, gerado
durante a transformação de energia cinética em calor, estudando o
comportamento térmico durante a desaceleração do movimento no processo de
frenagem, tendo por consideração o fenômeno físico de condução térmica obtida
entre os componentes e convecção térmica somente no disco de freio, afim de se
obter o mais efetivo perfil para resfriamento entre o atrito da Lona e Disco .
Objetivos: Simular e convalidar valores resultantes de cálculos com valores
resultantes de simulações de uma estrutura de disco de freio á fricção, em
ambiente CAD 3D. Simular termicamente e os efeitos de um sistema de freio a
fricção. Otimizar a concepção das malhas geradas, pela síntese numérica, via
MEF (Método dos Elementos Finitos) e confrontado ao modelo matemático
tridimensional.
Figura 2 – (A) Modelo de Disco de Freio montado e
(B) Cinematismo de funcionamento
Figura 1 – Tipos de Discos de Freio para Bicicleta
Discussão dos Resultados: Antes do estudo térmico, foi empregado o ensaio de
otimização topológica, afim de se obter o perfil com tensão e deslocamento
aceitáveis ao cinematismo de trabalho do disco, porém, com o menor volume
possível. De acordo com o número de ciclos na parametrização da otimização,
obteve-se um resultado de melhoramento gradativo, variando o percentual de
volume removido e tipo e número do elemento empregado. Por fim, gerou-se
uma geometria final otimizada e sugerida pelo software, como mostra o
processo da figura 5.
Palavras Chaves: Freio, Analise térmica, Métodos numéricos, MEF, CAE.
Conclusão: Conclui-se que tanto estruturalmente quanto termicamente, o
modelo de perfil final para o Disco de Freio atende aos requisitos empregados
no cinematismo de trabalho de acionamento de Freio (como mostra a figura 2).
Isto posto, é possível garantir a coerência cientifica da analise numérica,
também identificar as reações térmicas durante ao processo de desaceleração,
como mostram as figuras 6 e 7, com o acréscimo dos furos para dissipação de
calor, com o devido cuidado de não exceder o deslocamento máximo permitido,
houve uma perda de quase 130°C de calor concentrado durante a frenagem.
Figura 4 – Propriedades térmicas e mecânicas do aço e lona
A B C D E
Figura 5 – Ensaio de Otimização Topológica do Disco (utilizando software Simulia
Abaqus-Tosca acadêmico): (A) Modelo inicial, (B) 5 ciclos, (C) 10 ciclos, (D) 20 ciclos,
(E) 20 ciclos remodelado em CAD .
Figura 6 – (A) Análise do perfil obtido por otimização (B) Análise do perfil
otimizado com acréscimos de diversos furos (C) Perfil final do Disco (utilizando
software Simulia Abaqus acadêmico)
Figura 7 – Comparativo entre os perfis de Discos presentes na figura 6 (A) e 6 (B)
Referências Bibliográficas :
ALVES FILHO, A.: Elementos Finitos - A Base da Tecnologia CAE, Editora Erica,
1º Edição, São Paulo, 2000
JOHNSEN S., Structural Topology Optimization - Basic Theory, Methods and
Applications, Norwegian University of Science and Technology, 2013
KRAIGE, L. G., MERIAM, J. L., Mecânica – Dinâmica. 5.ed. Rio de Janeiro: LTC,
2004
PAHL, G., BEITZ, W., Feldhusen, J., Grote, K.-H., Projeto na Engenharia, 1ª ed.,
Edgard Blücher, São Paulo, 2005
TIMOSHENKO,S.P., Mecânica dos Sólidos Vol. 1, Rio de Janeiro, Ed. LTC, 1998
A B
Figura 3 – Modo e Taxa de Transferência de calor
Obtido o perfil ideal, atendendo ao torque de trabalho de 500Nm. Assim, torna-
se fundamental se atentar à quantidade de calor dissipado. Então foi gerado o
estudo térmico via CAE (Computer Aided Engineering), que utiliza o método dos
elementos finitos como seu background para os cálculos.
BA C