Seleção de Materiais para Freio a Disco Automotivo

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Universidade Estadual de Campinas 
Faculdade de Ciências Aplicadas - FCA 
 
Trabalho de Seleção de Materiais 
 Estudo de caso: Freio a Disco Automotivo 
 
Grupo 1: Aline Andrade (RA:154513 ), Fernanda Soares (RA: 157866), Giovanna Tonolli 
(RA:157926), Julia Alves (RA: 158063), Laís Caires (RA: 159805). 
 
 
Data de entrega: 13 de Junho de 2017. 
 
 
 
1. Resumo 
 O projeto descrito neste memorando teve como objetivo o estudo da aplicação da 
seleção de materiais para o freio a disco utilizado na indústria automotiva, mais 
especificamente em veículos de passeio. 
 Desta forma, foram utilizadas ferramentas como índice de mérito, mapa de Ashby e 
matriz de decisão para que fosse feita a escolha do melhor material a ser utilizado na 
produção da peça. Ao final, foram analisados três tipos de ferro fundido cinzento, liga de 
alumínio, liga de titânio, aços médio e alto carbono e liga de zinco. Todos foram considerados 
por se encaixarem em parâmetros iniciais estabelecidos como: custo, resistência mecânica, 
resistência à fadiga, dureza Brinell, atrito e condutividade térmica. Por fim, foi elaborada uma 
proposta com novos materiais para a produção do freio a disco. 
 
 
 
 
 
 
 
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2. Descrição do Projeto e Objetivos 
 O freio a disco é a máquina utilizada para freamento de automóveis, seu 
funcionamento é dado pela conversão de energia cinética em térmica, no qual o disco deve 
absorver e dissipar o calor rapidamente. Normalmente, ele é feito de ferro fundido sendo 
conectado à roda e às pastilhas de freio, as quais funcionam como um material de fricção 
forçado mecânica, hidráulica, pneumática ou eletromagneticamente contra o disco, fazendo 
com que o disco e a roda parem ou desacelerem (CANALI, 2002). A Figura 1 a seguir ilustra a 
peça estudada e seu funcionamento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 1a: Freio a disco. Figura 1b: Funcionamento da peça. 
 
 O sistema de freio a disco é empregado em uma grande variedade de veículos desde 
carros de passeio até aviões de grande porte. Em relação aos demais sistemas de frenagem, 
ele apresenta longa vida útil, menor dilatação, melhor equilíbrio das pressões exercidas e 
maior dissipação de energia absorvida. Tal sistema é utilizado em todos os automóveis nas 
rodas dianteiras, e devido ao custo associado, não é usado nas rodas traseiras de modelos 
econômicos, que continuam utilizando o sistema de freio a tambor (Fórmula Route Ufscar, 
2015). A Figura 2 (Anexo 1) representa o desenho 2D da peça, a Figura 3, a análise térmica 
(Anexo 2) e a Figura 4 (Anexo 3), a vista explodida de um automóvel de passeio, com 
destaque para o freio a disco. 
 Atualmente, o material mais utilizado para o freio a disco é o ferro fundido cinzento 
classes FC-200 e FC-250, pois possui baixo custo, boa condutividade térmica e usinabilidade. 
No entanto, a indústria continua a desenvolver novos materiais e classes de materiais com o 
objetivo de aumentar a vida útil da peça, sua segurança e reduzir seu peso e ruído 
(GUESSER et al, 2003). 
 Na busca pelo melhor material, são consideradas como propriedades importantes para 
freios a disco: fadiga térmica, resistência mecânica e à fadiga, capacidade de amortecimento 
de vibrações e ruído e resistência ao desgaste. 
 
 
 
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3. Pesquisa Metodológica 
A seleção dos materiais envolve a busca por uma melhor combinação entre os 
requisitos de projeto e as propriedades dos materiais que poderiam ser utilizados na execução 
do projeto. A primeira etapa da seleção foi a tradução, etapa em que os requisitos de projeto 
foram transformados em restrições e objetivos. Em seguida, realizou-se a etapa de triagem, 
onde os materiais que não cumprem as restrições foram eliminados. Essa etapa foi seguida 
pela classificação, em que os materiais foram ordenados de acordo com a sua capacidade de 
cumprir os critérios de excelência. Ao final, a etapa de documentação explorou os melhores 
candidatos, analisou histórico de falhas, casos de utilizações anteriores, dentre outros 
(ASHBY, 2005). 
A análise de Índice de Mérito foi realizada para algumas propriedades no estudo do 
sistema de freio, sendo elas: resistência mecânica e fadiga térmica. E por fim, foi montada 
uma matriz de decisão que levou em consideração os índices encontrados e também as 
seguintes propriedades: atrito, dureza, custo e condutividade térmica. 
 
3.1) Resistência Mecânica 
Quando o sistema de freio é ativado, o disco sofre tensões térmicas e altas tensões 
mecânicas, desencadeando o processo de fadiga térmica. Sendo a resistência mecânica a 
capacidade de uma estrutura suportar as solicitações externas sem sofrer deformação 
plástica, as variações de temperatura no disco podem resultar em choques térmicos que 
geram trincas superficiais e grande quantidade de deformações plásticas no disco de freio 
(HOHMANN, 1999). Para determinar o índice de mérito, foi necessário listar algumas 
características do projeto, estas foram descritas na Tabela 1. 
 
 Tabela 1. Tradução de requisitos - Resistência Mecânica. 
De acordo com Mackin (2002), as rodas estão conectadas aos discos de metal, 
também chamados de rotores, que giram em conjunto com o pneu. A força que o rotor está 
sujeito está descrita na Equação 1. Esta equação é resultado da análise de forças (Figura 5) e 
considerações apresentadas no Anexo 4. 
 
 
 
 
 (1) 
4 
(Onde: é a % da carga da frenagem, é a massa do automóvel, é a velocidade inicial do automóvel, 
 é o diâmetro do pneu, é o diâmetro do disco, e é o tempo de frenagem). 
 Isolando o tempo de frenagem ( ) na Equação 1, obtém-se a função objetivo. Uma 
possível alternativa para a sua minimização é o aumento da que é relacionada com a 
tensão de escoamento ( ) e a área da pastilha que acompanha o disco ( ) de acordo 
com a Equação 2. 
 
 
 
 (2) 
Em seguida, algumas simplificações devem ser realizadas, a fim de encontrar a 
Equação de Desempenho do sistema. O valor de e são obtidos a partir das Equações 
3 e 4, sendo posteriormente substituídos na equação 1. 
 √
 
 
 (3) 
 
√ 
 (4) 
(Onde: é a espessura do disco, é a densidade do material, é a massa do disco, é 
o tamanho crítico da trinca e é o Módulo de Tenacidade à Fratura). 
Dessa forma, chega-se na Equação 5 que representa a Equação de Desempenho e a 
Equação 6, que representa o Índice de Mérito. 
 √
 
 
 (
 
 
) ( √ ) (
√ 
 
) (5) 
 
 
 
 (6) 
A partir da definição do Índice de Mérito, pode-se utilizar o Mapa de Ashby que 
apresenta o Módulo de Tenacidade X Densidade, mostrado na Figura 5 (Anexo 5), a fim de 
facilitar a visualização e identificação do material mais adequado. 
A linha guia em destaque no mapa refere-se ao IM identificado. Segundo Ferrante 
(2013) o mapa tem somente a finalidade demonstrativa, com uma abordagem do conjunto de 
tenacidade e da densidade dos materiais. Dessa forma, observa-se que que os melhores 
materiais no quesito resistência mecânica são: Aços - superam todos os materiais em relação 
ao - e Ligas de Titânio. 
 
3.2) Fadiga Térmica 
Cada ciclo de frenagem impõe um ciclo de tensões ao disco de freio, sendo que o 
sistema de freio pode chegar a valores de temperatura próximos a 650 ºC durante uma 
frenagem severa e esse superaquecimento provoca choques térmicos e pontos de 
aquecimento localizados, podendo surgir trincas devido ao escoamento plástico do metal da 
superfície (MALUF, 2007).Portanto, o estudo do material utilizado nos freios a disco é de 
grande importância para que se possa prolongar a vida útil da peça. 
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A fadiga térmica está relacionada com a tensão aplicada, sendo que esta está ligada 
às variações de temperatura ( ), ao módulo de elasticidade (E) e ao coeficiente de dilatação 
térmica do material ( ). Podendo-se afirmar que quanto menor for a variação de temperatura, 
menores serão as tensões aplicadas e menor será a tendência à ocorrência da fadiga térmica 
no freio (GUESSER et al, 2003). 
Para determinar o índice de mérito foi considerada uma mesma temperatura em toda a 
extensão do disco que varia com o tempo. Além disso, as seguintes características foram 
consideradas, como mostrado na Tabela 2. 
Tabela 2. Tradução de requisitos - Fadiga Térmica. 
 
Considerando que quando um material é aquecido, as suas dimensões aumentam 
proporcionalmente à variação de temperatura, obteve-se a fórmula da dilatação linear, 
representada pela Equação 7: 
 (7) 
Utilizando a fórmula de tensão e de deformação elástica longitudinal: 
 (8) 
 
 
 (9) 
Aplicando a Equação 9 na Equação 8, temos: 
 
 
 
 (10) 
Juntando a Equação 7 e 10, obtém-se a Equação de desempenho e o Índice de Mérito 
relacionado à fadiga térmica, apresentados, respectivamente, pelas Equações 11 e 12, 
abaixo. 
 
 
 
 (11) 
 
 
 (12) 
Com a definição do Índice de Mérito, pode-se utilizar o Mapa de Ashby que apresenta 
o Mapa de Tensão Normalizada x Coeficiente de expansão linear, mostrado na Figura 6 
(Anexo 6), a fim de facilitar a visualização e identificação do material mais adequado. 
 
 
 
 
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3.3) Resistência ao Desgaste 
O desgaste de peças e equipamentos costuma ser um grande problema, devido a 
necessidade de manutenção e até mesmo troca quando o desgaste é excessivo. No caso do 
freio a disco, essa propriedade é bastante importante, pois a peça está sujeita a esforços 
dinâmicos que necessitam de uma boa resistência ao desgaste. Essa propriedade possui forte 
relação com a dureza, que deve ser elevada para que o material resista à penetração inicial, e 
com a resistência mecânica e tenacidade, que quanto mais altas mais dificultam o 
arrancamento das partículas sólidas (COUTINHO, 1992). 
Já que um material com alta dureza - alta resistência à deformação plástica 
permanente - também terá alta resistência ao desgaste, foi considerada para análise desta 
propriedade a dureza Brinell, ou seja, o número resultante do ensaio de dureza Brinell de cada 
material incluído na matriz de decisão (UFPR, 2006). 
 
3.4) Atrito 
O atrito é o fenômeno mais importante no sistema de frenagem, existente entre a 
pastilha e o disco de freio. O mesmo serve no sistema de frenagem como um dissipador da 
energia cinética, transformando-a em calor, que é dissipado para o ambiente, e em energia de 
superfície (PETER, 2008). 
 A superfície das pastilhas de freio possui uma complexa estrutura formada por 
plateaus distribuídos, que correspondem às partes da pastilha que apresentam contato com o 
disco de freio. A força de frenagem é transmitida por estas áreas de contato, cujos tamanhos e 
composições influenciam a funcionalidade do atrito. A composição química dos plateaus 
normalmente é composta por ferro na forma de óxido de ferro ou na forma de aço 
(ERIKSSON, 2000). 
Como a propriedade é calculada levando em conta os dois materiais a serem atritados, 
para a análise feita na matriz de decisão, foi considerado o atrito entre o possível material para 
o freio a disco e plateaus feitos de aço. 
 
3.5) Mapa e Matriz de Decisão 
Para ajudar na análise e na escolha, uma alternativa para a comparação entre os 
desempenhos dos diferentes materiais é a plotagem de um gráfico, onde os eixos são M1 e 
M2 (características dos materiais) e os pontos são os materiais em análise. O uso do gráfico 1 
é uma forma mais visual para a comparação entre eles. No caso abordado, o primeiro índice 
de mérito (resistência mecânica) é de minimização, enquanto o segundo índice (fadiga 
térmica) é de maximização. Por isso, o melhor material considerando apenas os índices de 
mérito é aquele que está mais para direita e para baixo, uma vez que no eixo x está à fadiga 
térmica (maximização) e no eixo y a resistência mecânica (minimização). 
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Gráfico 1: Análise Comparativa M1 x M2. 
 
 Além disso, durante a seleção do material ideal para a produção do freio a disco foram 
escolhidas mais algumas propriedades além das anteriormente citadas, como: custo e 
condutividade térmica, pois estes parâmetros serão utilizados na etapa de documentação dos 
materiais. Ademais, os materiais escolhidos para análise foram pré selecionados por serem 
materiais já utilizados em peças automotivas, sendo os ferros fundidos (FC150, FC250, 
FC350) atualmente utilizados na fabricação dos freios a disco especificamente. 
 
Tabela 3. Dados de cada material analisado em cada propriedade. 
 
 
A fim de gerar uma tabela de decisão, os dados coletados apresentados na Tabela 3 
foram normalizados entre 0 e 1. Além disso, os critérios de minimização (por exemplo, custo), 
foi calculado o inverso, para que ele pudesse se tornar de maximização também. Dessa 
forma, temos a Tabela 4 apresentada a seguir. 
 
 
 
 
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Tabela 4. Matriz de decisão 
 
 
4. Recomendações 
 Diante dos resultados obtidos a partir da Matriz de Decisão, pode-se verificar os 
melhores candidatos, mas, nem sempre o material com melhor classificação nesta etapa é 
utilizado, pois a etapa de documentação avalia outros fatores mais qualitativos que podem ser 
cruciais na decisão final. 
A liga de Titânio possui a melhor classificação, porém o custo altíssimo do material 
inviabiliza o seu uso em carros de passeio. A fim de atender as expectativas dos 
consumidores, as montadoras priorizam o baixo custo, tornando o produto mais concorrente 
no mercado. Dessa forma, optou-se pela escolha do Aço Alto Carbono, devido ao seu 
desempenho verificado na matriz de decisão e também por não haver pontos negativos em 
aspectos qualitativos, como na fabricação ou dificuldade de obtenção, além do custo viável. 
No cenário atual, de acordo com Schmitz (2013), responsável pelo departamento de 
engenharia de materiais da Renault, no Brasil verifica-se uma tendência de maior aplicação de 
aços de alta resistência devido ao aumento da produção local destes materiais, contribuindo 
com baixos custos e melhor logística. Ademais, a alta resistência oferece maior segurança e 
redução de peso para a carroceria dos automóveis. 
É válido pontuar que embora os ferro fundidos sejam os mais utilizados na fabricação 
de discos atualmente devido a fatores como facilidade de fabricação a partir da fundição e uso 
de sucata como matéria prima, eles são os últimos na classificação realizada por este estudo. 
Este fato não é contraditório, pois os demais materiais utilizados na comparação são ótimos 
materiais e “superam” as necessidades do projeto. Portanto, opta-se normalmente pelo ferro 
ao invés de um material melhor e mais caro, como as ligas de Titânio, por exemplo. 
 
 
 
 
 
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5. Referências 
Figura 1a. Disponível em: <http://www.mercadodomecanico.com.br/disco-de-freio-dianteiro-par-
palio---siena---fremax-bd0178-bd0178/p>. Acesso em: 25 mai. 2017. 
Figura 1b. Disponível em: <https://salaodocarro.com.br/como-funciona/freios-a-disco.html>. Acesso em: 
25 mai. 2017. 
Figura 2. Disponível em: <https://www.google.com/patents/US6371250>. Acesso em: 29 mai. 2017. 
Figura 3. Disponívelem: <http://slideplayer.com.br/slide/1835836/>. Acesso em: 31 mai. 2017. 
Figura 4. Disponível em: <http://www.dianliwenmi.com/postimg_348013.html>. Acesso em: 29 mai. 
2017. 
Figura 5 e Figura 6. ASHBY, M. Materials Selection in Mechanical Design. Elsevier, 3rd Edition, 2005. 
ASHBY, M. Materials Selection in Mechanical Design. Elsevier, 3rd Edition, 2005.