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Técnica

Sistema de freios: tudo para você melhorar o desempenho


A maioria dos freios vindos de fábrica são capazes de realizar uma parada de emergência sem nenhum problema. Porém quando falamos em frenagens duras e sucessivas, a capacidade térmica do sistema mostra seus limites. Por esse motivo a maioria dos freios OEM não atendem as condições de pista. Hoje vamos avaliar quais melhorias podem ser feitas de modo a atender os requisitos mínimos para andar com segurança num track day e ainda tirar umas lascas no tempo de pista.

Hoje vamos conversar sobre upgrades iniciais e intermediários, que podem ser fetos sem custos exorbitantes ou intervenções muito complicadas. Vamos lá?

 

Conceitos iniciais

Para que possamos enxergar onde melhorias podem ser feitas, primeiro temos que entender o funcionamento e princípios físicos que regem uma freada.

A capacidade de frenagem de qualquer veículo é limitada por quanta aderência pneus conseguem gerar. Se o torque de frenagem superar a força circunferencial, as rodas travam e os pneus passam a deslizar. Então pneus de alto desempenho vêm antes dos freios.

A função básica dos freios é converter energia cinética em energia térmica através do atrito. Esse calor deve ser dissipado para outros componentes e para a corrente de ar. Porém nem todo o calor gerado deve ser dissipado, afim de manter o conjunto dentro da faixa de temperatura de melhor performance.

Balanço e distribuição de frenagem é tão importante quanto a capacidade total. Então antes de adquirir qualquer peça nova verifique primeiro a distribuição de peso do seu veículo e se possível a altura do centro de gravidade para entender a transferência de peso durante a frenagem.

 

Capacidade de frenagem e calor

Qualquer veículo que você possa imaginar sempre terá uma capacidade de frenagem maior que é possível acelerar (bom, ao menos quando pensamos em veículos saídos de fábrica). Vamos analisar um dos brinquedos divertidos e acessíveis da atualidade, o Sandero RS. Vindo a 120 km/h ele percorre 63,7 m antes até a parada, consumindo 3,8 segundo. Com uma massa de 1.161 kg, podemos calcular que o R.S. possui uma potência de 168,15 kW (225,5 cv) distribuída em seus freios. Imaginem uma boa parte desse calor sendo gerado a cada freada no final de uma reta.

Os freios originais normalmente distribuem a dissipação térmica da seguinte forma: 50% por radiação, 25% por convecção e outros 25% por condução. Nesse último quarto que mora o grande problema. A condução de calor eleva a temperatura das pinças, fluido de freio e amortecedores. Com isso temos um decaimento mais rápido de performance e mesmo a possibilidade de falha. Freios de maior desempenho normalmente dissipam o calor nas proporções: 45% por radiação, 45% por convecção e apenas 10% por condução. Com isso, mesmo trabalhando com um montante maior de energia, a elevação de temperatura dos outros componentes é menor.

Então mesmo com ups como discos maiores, pastilhas com maior coeficiente de atrito, você pode precisar de voltas de cooldown, se o seu sistema não for dimensionado para lidar com um fluxo térmico maior. Mais uma vez o “ão” não é o melhor caminho.

 

Iniciante

Agora vamos conversar sobre as modificações possíveis para melhorar o desempenho do sistema de freios. Aqui eu vou dividir o assunto em três tópicos que irão apresentar as intervenções de forma crescente. Nós não vamos tratar de pneus aqui, pois está sendo preparada uma matéria especial sobre o assunto, por isso aguardem.

Pode até soar estranho, mas a primeira “modificação” que um pretenso às das pistas deve fazer é aumenta a capacidade de refrigeração dos discos. Sim, pois como vimos acima sistemas OEM apresentam uma baixa capacidade de convecção quando comparados àqueles voltados para as corridas.

Então instalar dutos que aumentem o fluxo de ar direcionado para o chapéu dos discos reduz significativamente a ocorrência de problemas causados pela condução de temperatura. Porém o fluxo deve ser controlado, pois um resfriamento rápido dos discos aumenta a tendência a empenamento e fissuras. No meio entusiasta há uma divisão de opiniões sobre o direcionamento dos dutos de refrigeração. Se para as pinças o para o disco. Então vamos pensar um pouco para encontrar a resposta.

Vamos usar como exemplo, um disco de 332 mm de diâmetro e pista de contato das pastilhas com 53 mm de largura. Isso nos dá uma área de 25.400 mm² para cada face do disco. Digamos que o sistema possui pinças de maior desempenho, com quatro pistões e pastilhas grandes. Tomando como referência modelos comuns no mercado a área média das pastilhas para uma pinça de quatro pistões gira em torno dos 6.300 mm².

Então temos uma área quatro vezes maior na face do disco do que nas pastilhas. Além da questão da menor área, o material consumível das pastilhas tem como uma de suas características a baixa condutibilidade térmica, já usado com o intuito de reduzir a transferência de calor para os pistões, fluido e pinça. Então a face do disco em contato com a pastilha retira a maior parte do calor nesta área durante o ciclo de resfriamento. 

Assim é mais importante direcionar o fluxo de ar para o centro do disco. No vídeo acima vemos um Honda S2000 tendo seus discos monitorados por câmeras de amplo espectro de infravermelho. Observem a variação de temperatura do disco e quanto o calor demora mais a se dissipar abaixo dos 600 °C do que aos 800°C.

Caso a refrigeração não seja eficiente, esse calor pode ser transferido lentamente das pastilhas para os pistões e então para o fluido causando fading. O vídeo acima do canal Engineering Explained mostra os diferentes graus de aquecimento do sistema. Podemos observar como a temperatura é bem mais baixa na porção final da pastilha em relação a sua superfície e ao disco, e ainda menos na região da mangueira hidráulica. Mas como dito, o grande problema é o fluido que está nos pistões, o que nos leva ao segundo ponto para um iniciante.

A mais simples das intervenções é a troca do fluido hidráulico do sistema de freios. Nós conversamos sobre as especificações dos fluidos no post anterior, mas quando o assunto é pista o nosso ponto de partida são os fluidos com especificação DOT 5.1, seguindo para aqueles com especificações de pista. Onde a temperatura de ebulição ultrapassa os 300°C quando seco. Porém os pistões que estão nas pinças não são exatamente herméticos. Com isso a umidade aos poucos consegue se misturar com o fluido de freio (que é higroscópico), levando a uma redução do ponto de ebulição do fluido.

Essa redução depende do período e condições de exposição do fluido. Por exemplo, num dia de chuva, ou em uma prova de rally onde hajam estágios com lama. A tendência é que o fluído sature mais rápido, podendo ferver a 230 °C, por exemplo. Por isso usar fluidos com ponto de ebulição a seco mais baixo nunca é uma boa ideia quando o pensamento é abusar mais do pedal do meio.

Existem ainda os fluidos race spec, produzidos pra quem realmente tem maldade no coração. Motul, Pentosin, Brembo, AP Racing, Stoptech e outros têm uma gama de fluidos com ponto de ebulição úmido bastante alto (mínimo de 204 °C)

Numa freada forte a pressão das linhas de freio se eleva bastante. Se os dutos flexíveis forem feitos de algum tipo de borracha eles irão se expandir consideravelmente, criando uma leve sensação de pedal esponjoso. Esse sentimento tende a aumentar numa sequência de voltas rápidas, pois as mangueiras não conseguem se recuperar rapidamente. Então o ideal é substituí-las por dutos de teflon com revestimento externo em malha de aço (conhecido por muitos como aeroquip).

Lembrando que substituir as linhas flexíveis não aumenta a capacidade de frenagem do veículo, mas sim a sensibilidade do pedal e a precisão no memento da frenagem. É recomendado que além da malha de aço haja ainda uma camada externa de plástico para evitar que pequenos detritos duros passem pela malha e com a vibração danifiquem os dutos de Teflon. Devemos lembrar que estas mangueiras são parte de um dos principais equipamentos de segurança, então comprar kits duvidosos de montagem falha só para conseguir um visual legalzinho, não é uma boa.

Procure mangueiras com certificado, encomende em lojas que fabricam mangueiras de alta pressão para sistemas hidráulicos e indústrias, ou ao menos faça um bom teste de estanqueidade ainda parado.

Ligue o carro, pise com força e várias vezes no pedal, mantenha o pedal pressionado por 10 segundos e peça a ajuda de um amigo para verificar o nível do(s) reservatório(s) e inspecionar os flexíveis e conexões em busca vazamentos enquanto você ainda mantém o pedal pressionado. Garanta a sua segurança, não vacile.

O ideal é, caso você resolva substituir as mangueiras, instalá-las também na parte traseira. Principalmente se o seu carro possuir ABS. Pois a diferença de tempo para a elevação de pressão cria uma defasagem entre os sinais percebidos pelos sensores. O que pode causar confusão para a central de controle do sistema.

Depois de melhorarmos a refrigeração, a resistência a ebulição e a sensibilidade. Podemos realmente frear um pouco mais. Focando sempre nas intervenções mais simples e de menor custo relativo, vamos nos limitar aqui a substituição das pastilhas de freio por outras que estejam um degrau acima, como as green stuff da EBC por exemplo. Elas mantêm o perfil de uso diário, mas ajudam a aumentar a capacidade de frenagem devido ao maior coeficiente de atrito.

 

Intermediário

Aqui você realmente se decidiu a ter uma lasanha para brincar nas pistas. É isso aí, diversão no trackday, volta em cima de volta tentando melhorar a tocada e fatiar o tempo. Você tirou o escorpião do bolso e está pronto para gastar mais um pouco.

E se o assunto aqui são freios, o que lhe vem logo a cabeça? Discos maiores, não é? Mas eu devo lhe advertir. Se você não está saindo dos boxes para um tiro certeiro, uma raceline impecável digna de P1. Você vai precisar muito mais de consistência que potência de frenagem. Então a chave está na boa dissipação térmica, não uma freada monstruosa no fim da reta e freios fadigados pelo resto da volta.

Se nós já aumentamos a quantidade de ar que chega até a região dos freios, agora temos que fazer com que essa massa maior leve embora o calor. Lembram que eu comentei que discos com especificação de corridas dissipam muito mais calor por convecção? O segredo deles está nos seus dutos internos. A quantidade e geometria dos dutos é fator decisivo.

Dutos retos são menos eficientes, pois durante a rotação a massa de ar se choca contra as paredes aumentando a turbulência. Dutos curvos são a evolução dos retos. Eles apresentam uma área crescente, o que reduz a turbulência e permite que mais ar flua por eles. Mas pilares e aletas são a última palavra quando falamos em refrigeração de discos. Essas configurações permitem o cruzamento do fluxo, o que gera maior interação e menor turbulência extrema aumentando o fluxo total e a troca térmica.

Quando as pistas de contato do disco se aquecem com o atrito elas se expandem causando a compressão do hub do disco. Com o resfriamento o disco volta a sua condição normal. Porém numa sessão de pista esse fenômeno ocorre diversas vezes, o que aumenta a fadiga do metal nessa região. Imagine ser surpreendido por um disco rachado ou pior, ter a pista separada do chapéu.

Para evitar essas situações os fabricantes criaram o sistema de discos flutuantes. Essa configuração separa em duas peças o disco e o hub. Assim quando ocorre a expansão, o disco desliza para dentro do conjunto que é suportado por pinos. Isso traz mais estabilidade ao conjunto aumentando a eficiência de frenagem.

Outras duas grandes vantagens que essa configuração apresenta são, o ganho em fluxo de ar através dos discos e a redução da massa do conjunto já que os hubs são fabricados em alumínio. Com essa redução de massa reduz-se também a inércia rotacional, ou seja, o carro desacelera ainda mais rápido. De quebra também a redução da massa não suspensa, fato que traz ganhos em dirigibilidade.

Outro ponto que pede nossa atenção é o tipo de pista que o disco apresenta. Há três perfis básicos. As pistas planas, as frisadas e as perfuradas. Cada uma apresenta características próprias que vamos analisar abaixo.

  • Pistas planas: Apresentam o melhor compromisso para veículos OEM, pois causam baixo desgaste das pastilhas, baixo ruído e capacidade de frenagem satisfatória.
  • Pistas frisadas: Durante a frenagem são gerados detritos e gases. Para garantir a drenagem destes materiais e a refrigeração da superfície das pastilhas os fabricantes passaram a criar canais (frisos) nas pistas de contato. Foi observado também que discos frisados apresentavam uma mordida mais forte no início da frenagem, devido às arestas dos frisos. As pistas frisadas dividem-se em diversos subtipos de acordo com a geometria e disposição dos frisos.
  • Pistas perfuradas: Os furos num disco possuem as mesmas funções dos frisos e também auxiliam na refrigeração. Porém eles aumentam a tendência a fraturas na pista devido a grande diferença de temperatura entre os furos e as regiões ao redor. Com o avanço no desenvolvimento dos perfis de frisos os discos perfurados começaram a ser restringidos a dias de grande chuva.

Com discos perfurados nós precisamos fazer inspeções constantes. Caso você encontre fissuras partindo dos furos, estas não devem ter comprimento maior que 5 milímetros. Se o problema estiver nas bordas do disco, tanto internas quanto externas, inutilize este conjunto imediatamente pois o risco de falha catastrófica é alto.

A geometria dos dutos de ventilação dos discos também é de grande influência na capacidade de dissipação. Os discos mais simples possuem dutos retos. Esse design gera muita turbulência no fluxo o que reduz a vazão através do disco. Por isso os fabricantes desenvolveram novos desenho ao longo do tempo.

  • A primeira onda de evolução veio com os dutos curvos. Esse design reduz a turbulência do fluxo permitindo que uma maior quantidade de ar passe pelo disco. Mas esta arquitetura torna os discos direcionais, ou seja, há um lado específico para a instalação de cada disco. Do contrário haverá uma redução significativa do fluxo.
  • A segunda onda veio com os pilares em substituição das aletas. A configuração permite que os fluxos se separem e se encontrem dentro do disco, aumentando a interação entre eles e consequentemente a troca térmica. Além disso com os pilares os discos deixam de ser direcionais, permitindo o uso tanto do lado esquerdo quanto do lado direito.
  • A terceira geração é um híbrido, combinando as vantagens de fluxo dos pilares e a maior área de contato das aletas. Com isso a troca térmica se torna ainda maior permitindo mais carga de frenagem sem fade.

Agora que nós aumentamos a capacidade de refrigeração, podemos pensar em gerar mais energia térmica aumentando o atrito. Aqui entram em cenas as novas pastilhas para o seu bólido.

No momento em que as pastilhas são pressionadas contra o disco dois tipos de fricção acontecem. A fricção por abrasão e a fricção por adesão. Durante a adesão parte do material é depositado sobre a superfície do disco, tracionado e então quebrado. Esse processo é constante em toda a área de contato entre disco e pastilha. Já a abrasão causa a quebra permanente dos cristais tanto da superfície mais dura, quanto da mais macia. A quantidade e tipo de abrasivos e adesivos usados na produção da pastilha determinam as suas características, como o coeficiente de atrito e a faixa de temperatura operacional.

O gráfico acima exemplifica quanto o coeficiente de atrito de algumas composições de pastilha varia de acordo com a faixa de temperatura. Então, enquanto umas estarão prontas para a ação assim que você sair dos boxes, outras precisa ser aquecidas para chegar ao ponto ideal de trabalho. E aqui vale um lembrete, quando mais baixa a temperatura operacional, mais baixa também a temperatura de dano. Por isso também as pastilhas OEM se desgastam mais rápido num track day, podendo chegar ao ponto de vitrificarem ou desnaturarem.

Para um carro diário, mas que você leve para a pista por diversão, o ideal é usar pastilhas que estejam um ou dois degraus acima do comum. Faixas operacionais por volta dos 350 °C, coeficientes de atrito que se aproximem de 0,5 µ já são suficientes para as condições que citamos. Ir além disso pode te custar caro tanto na aquisição, quanto no dia a dia, quando suas pastilhas ainda frias lhe pregarem um belo susto numa freada de emergência.

Com a maior força de frenagem, as pinças OEM apresentam deformações maiores que aquelas previstas para as condições normais de uso. Com isso há perda de eficiência na frenagem, desgaste irregular das pastilhas, vibração e ruído incomum… uma bela porcaria. Então chefe, é hora de abandonar as pinças flutuantes (muito comuns na nossa indústria) por fixas e de preferência com múltiplos pistões. A maior quantidade de pistões permite a melhor distribuição da força de frenagem. E a estrutura mais robusta das pinças garante menor deformação em situações extremas. Pinças com dois ou quatro pistões são comuns em carros de maior performance ou mesmo maior massa. Pinças com seis e até oito pistões são voltadas para a maior esportividade ou para as pistas, e os detalhes nós deixaremos para logo mais.

Passando desse ponto nós começamos a entrar no território das corridas. Materiais leves e resistentes, são lugar comum. Então tire o escorpião do seu bolso e se prepare para o serious busines no próximo texto. Vamos aprender como dimensionar, posicionar e metrificar um sistema de freios voltado inteiramente para as pistas. Até logo!

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