Freios e Embreagens (Sapatas e Cintas)

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Curso: Engenharia Mecânica 
Disciplina: Freios e Embreagens Aula: 4 
PARÂMETROS DE DESEMPENHO 
• Força de acionamento 
• Torque transmitido 
• Perda de energia 
• Aumento de temperatura 
 
FREIOS E EMBREAGENS – TIPOS 
• tambor com sapatas internas (a) 
• tambor com sapatas externas (b) 
• cinta (c) 
• disco (d) 
• cone (e) 
 
APLICAÇÕES 
- automotivas 
- equipamentos pesados (guindastes, escavadoras, elevadores, tratores, moinhos, etc.) 
- equipamentos domésticos (cortadores de grama, máquinas de lavar, moto serras, 
etc) 
 
 
FREIOS - EXEMPLOS 
 
 
 
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1. DEFINIÇÕES 
 
Desde os primórdios da civilização o homem tem e defrontado com necessidades que o 
levam ao desenvolvimento de soluções práticas. As maiores descobertas trouxeram novas 
necessidades e a busca do conforto e segurança continua e continuará por muito tempo. 
Com a descoberta 
da roda o homem conseguiu vencer uma de suas maiores limitações: o transporte de 
um peso bem maior que o seu. No entanto havia um problema: enquanto um objeto 
arrastado parava quase que imediatamente após a força de arraste ter cessado, isso 
não acontecia com uma roda. Como, então, pará-la? 
Os freios surgiram a partir da necessidade de parar algo que se deslocava ou impedir 
que algo se deslocasse. São um caso específico de uma classe de elementos de 
máquinas chamada de acoplamentos por atrito. 
Os primeiros freios eram do tipo cunha e serviam apenas para impedir que um movimento se 
iniciasse. Os freios com alavanca (Figura 1) vieram como uma evolução surpreendente, 
pois permitiam ao condutor realizar um esforço de frenagem grande quando comparado com 
a pequena força que empregava para acionar os freios. No entanto, este tipo de freio 
só se tornou importante a partir do momento que o homem construiu veículos com 
tração alternativa: ele não mais arrastava ou puxava as cargas, outros animais o faziam. 
 
 
 
Projetos novos surgiram e apareceram soluções práticas para um menor esforço do condutor 
ou um melhor controle do processo de acoplamento. Novos tipos de acoplamentos 
surgiram: magnéticos, eletromagnéticos, por corrente parasita, hidráulicos e outros. 
Entretanto, o principal tipo de acoplamento empregado ainda é o por atrito. Esse tipo 
atua quando dois materiais a velocidades diferentes se atritam, fazendo com que aquele 
que tiver condição de manter a velocidade influa sobre a velocidade do outro. Caso a 
velocidade de um dos materiais seja nula, o acoplamento é chamado de freio; caso 
nenhum dos dois tenha velocidade nula, o acoplamento é chamado de embreagem. 
Freios e embreagens, por questão de espaço, são normalmente acoplados a eixos 
rotativos, atuando no sentido de alterar velocidades angulares e não lineares. 
O uso de freios e embreagens por atrito para o acoplamento de eixos em velocidades 
diferentes deve-se principalmente ao fato de que o eixo que está sendo acionado, ou 
seja, tendo sua velocidade alterada, acopla-se gradualmente ao eixo que o está acionando. 
Acoplamentos rígidos não poderiam ser utilizados, já que a variação instantânea da 
velocidade implicaria numa aceleração infinita. A mudança repentina de velocidades 
significaria um choque de elevada magnitude, amortecido apenas pela rigidez dos 
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componentes, o que fatalmente levaria a falha por sobrecarga em algum dos elementos 
acoplados. 
Se o esforço a ser transmitido for muito grande, a aderência entre as superfícies 
limitará a transmissão, fazendo com que as superfícies escorreguem e o esforço não 
passe pelo acoplamento. Esse é o princípio que norteia o uso de acoplamentos de 
atrito como limitadores de torque. Na realidade, também haverá escorregamento 
enquanto as velocidades forem diferentes, e o esforço máximo que pode ser 
transmitido depende do coeficiente de atrito dinâmico entre os materiais em contato. 
Quando os eixos se acoplam, obviamente com a mesma velocidade, o coeficiente de atrito 
estático passa a ser o fator que limita o esforço a ser transmitido. 
 
2. TIPOS DE ACIONAMENTOS POR ATRITO 
 
Os principais tipos de acoplamentos por atrito são chamados de embreagens e freios. 
As primeira se dividem basicamente em embreagens à disco e cônicas, enquanto que os 
últimos se dividem em freios à tambor e à disco, com diversas construções derivadas. 
Cada um desses tipos de acoplamentos é discutido a seguir. 
 
2.1 FREIOS À TAMBOR COM SAPATAS EXTERNAS 
 
A figura 6 mostra o tipo mais comum de freio de tambor de sapatas externas. É 
utilizado em maquinas de elevação, tais como pontes rolantes, elevadores, gruas, etc... 
Normalmente é composto de duas sapatas simetricamente dispostas em torno de um 
tambor, que é ligado a carga a ser freada. No caso da figura 6, o tambor 
provavelmente está ligado a um outro tambor para enrolamento de cabos de aço de 
um elevador. No sistema mostrado, o acionamento é eletromagnético, mas também 
pode ser pneumático e, mais raramente, hidráulico ou manual. Quando o freio é 
acionado, o conjunto de alavancas atua no sentido de aplicar pressão entre as sapatas, 
que contém o material de atrito substituível, e o tambor. O tambor de freios mostrado 
serve também para dissipar o calor gerado na interface com as sapatas. Um freio 
semelhante a esse é empregado em veículos ferroviários. No caso desses veículos, a 
sapata é pivotada em torno de um pino que a liga ao sistema de alavancas. 
 
 
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A figura 7 mostra uma sapata colocada sobre a roda, à esquerda, e o esquema 
pneumático de aplicação dos freios ferroviários, à direita. Apenas um cilindro é utilizado 
para cada vagão em veículos de carga. Para locomotivas e alguns tipos de carros de 
passageiros, cada roda tem seu próprio cilindro de acionamento. Veículos ferroviários 
dissipam o calor através das rodas, que o transfere por convecção em sua superfície ou por 
condução no contato com o trilho. O aquecimento nas rodas é a causa de diversos 
problemas encontrados em ferrovias de carga, tratados em fontes específicas. 
 
 
A figura 8 mostra um esquema simplificado deste tipo de freio. Nele são mostrados o 
cilindro de freio, que recebe a pressão hidráulica do sistema de acionamento; os 
pistões do cilindro, que se movem aplicando a sapata sobre o tambor; as sapatas, que 
consistem no suporte metálico (contra-sapata) e na lona de freio;o tambor, que é a parte 
que gira do conjunto e é solidário à roda em veículos; o cabo, que serve para aplicar o freio 
manualmente através da alavanca do freio; e o ajustador de folga, que move a lona para mais 
perto do tambor conforme esta vai sendo desgastada, diminuindo o curso até a frenagem. 
No tipo de freio mostrado, a força gerada no cilindro hidráulico move a parte superior 
das sapatas, que estão ancoradas no ajustador de folga. Com essa restrição, as sapatas 
não se movem lateralmente, mas giram em torno do ponto de ancoragem. Fica 
evidente que o apoio da sapata sobre o tambor se dá principalmente na parte superior 
desta, fazendo com que a pressão de contato seja maior nessa região. 
 
 
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2.1.1 DIMENSIONAMENTO DE FREIOS POR SAPATAS EXTERNA 
• SAPATA SIMPLES 
 
• Isolando a alavanca: 
 
T = força de atrito → μ.N (1) 
 
onde: μ = coeficiente de atrito (adm) 
 N = resultante das pressões com direção radial, portanto, considerando o equilíbrio 
do sistema (N). 
 
• Eixo girando no sistema horário (+) 
 
∑MA = 0 → +F.b – T.c – N.a = 0 (2) 
 
F = N.a + T.c → N.a + μ.N.c (3) 
 b b 
Isolando N, teremos: 
 
F = N.(a + μ.c) (N) 
 b 
 
• Eixo girando no sentido anti-horário (-) 
 
F = N.(a - μ.c) (N) (4) 
 b 
Praticamente falando, caso o eixo gire no sentido anti-horário, “F” é menor, isto é coerente, 
pois o momento de atrito auxilia o momento de frenagem, portanto praticamente é 
conveniente utilizar a posição da articulação da alavanca, tal que, “F” precise ser menor. 
O momento de frenagem faz parte dos dados para o projeto do freio e o valor que vai ser 
dispendido em calor, portanto, podemos dizer que: 
 
 Mf = T.d (5) 
 2 
onde: Mf = momento de frenagem (Nmm) 
 T = força de atrito (N) 
 d = diâmetro do tambor (mm) 
 
b 
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Considerando (1), (2), (3), (4) e (5), teremos: 
 
 F = 2.Mf . a ± μ.c (N) , onde: (+ no sentido horário e – no anti-horário) 
 μ.d b 
 
Deve ser evitado que o fator (a-μ.c), seja muito pequeno, afim de evitar a frenagem pelo 
próprio peso da alavanca, chamada de auto-frenagem. 
Se (a-μ.c) for menor que zero, o freio se diz auto-frenante, uma aplicação muito rara. Pode-se 
construir um freio em que a alavanca sendo recurvada na extremidade apresente (c=0), neste 
caso, qualquer que seja o sentido de rotação do eixo a força de frenagem será: 
 0 
F = 2.Mf . a ± μ.c → F = 2.Mf.a (N) 
 μ.d b μ.d.b 
 
• Sapata dupla 
 
 
O freio visto anteriormente apresenta um sério incoveniente: a sapata aplica ao tambor e o 
tambor ao eixo uma força radial (N), geralmente de intensidade alta. O freio duplo da figura 
acima elimina este problema, temos em qualquer sentido de rotação o mesmo momento de 
frenagem (Mf), desde que, F1 seja igual a F2. 
Mf1 = μ.d.F1 . b 
 2 a±μ.c 
 Se F1 = F2 , temos: 
Mf2 = μ.d.F2 . b 
 2 a±μ.c 
 
Mf = Mf1 + Mf2 = μ.d.F.b . ( 1 + 1 ) 
 2 a±μc a±μc 
 
Como se vê, com sentido alterado, o Mf não se altera. 
Para referência representamos abaixo alguns dados de projeto médios usuais para freios de 
sapatas pivotadas. 
 
 
Ø do tambor (mm) Largura da sapata (mm) Potência (cv) 
250 80 8 
320 100 13 
400 125 24 
500 160 42 
630 200 77 
800 280 144 
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Quando o freio não está em ação, deve existir uma folga (λ), entre o tambor e a sapata, que é 
em função do diâmetro do tambor (d). 
 
Folga (λ) (mm) Diâmetro (d) (mm) 
0,10 a 0,15 160 a 250 
0,15 a 0,20 320 a 500 
0,18 a 0,25 630 a 800 
 
Nas sapatas pivotadas e na fixação da alavanca, recomenda-se que haja na superfície dos 
pinos de articulação, uma pressão da ordem de 4 a 5 N/mm2. 
 
Exemplo: Calcular um freio de sapatas duplo com um momento frenante de Mf=40 kNmm, 
considerando o tambor d=200 mm, medida a=100 mm, b=240 mm e c=o, coeficiente de atrito 
μ=0,5. qual deverá ser a força aplicada em F1 e F2? 
 
 
 a=100 
 
 b=240 
 
 
2.2 FREIOS DE CINTA 
 
Um tipo especial de freio, não tratado anteriormente, é o freio de cinta, utilizado 
principalmente em máquinas de levantamento. Consiste basicamente em uma correia plana 
enrolada em torno de um tambor, e que impede o movimento desse quando acionada. 
A figura 9 mostra o freio de cinta normal. 
Nela pode ser observada a alavanca de aplicação de freios, o pino de ancoragem da 
correia ou cinta, as distância entre os pontos de aplicação das forças (braços de 
alavanca) e a força de aplicação F, além das forças T1 e T2, que são as forças nas 
extremidades da correia. Para o sentido de rotação mostrado, a figura mostra que T1 é 
maior do que T, e que a diferença é a força de atrito transmitida na interface correia-
tambor. 
d=200 mm 
Mf = μ.F.b.d → F = Mf.a 
 2 2a μ.b.d 
 
F = (40000).(100) → F = 166,7 N 
 0,5.(200).(240) 
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 Figura 9 – Freio de cinta normal 
 
São utilizados em tratores, automóveis, máquinas operatrizes. Ocupam pouco espaço, o que 
justifica o seu emprego. 
Duas vantagens principais: 
- Carga no eixo; 
- dificuldade no resfriamento. 
Composto de 03 partes: 
- tambor; 
- fita de aço com lona; 
- alavanca. 
Considere um comprimento elementar da fita junto ao ponto “P”, esse comprimento será: 
comprimento elementar: r . dx 
 
 
 
 
 
 
 
dFa = força de contato elementar, utilizando-se cálculo diferencial, chega-se a: 
 
 T2 = eμθ , prova-se facilmente que: 
 T1 
 
 Mf = (T2 – T1).r 
 
Exemplo: Calcular T1 e T2, no freio de cinta da figura para um momento de frenagem de 
20kNmm, coeficiente de atrito μ=0,3. Considerar θ=230º, raio do tambor de 150 mm e 
logaritimo neperiano e=2,71828. 
 
α(rad) = 230º.π → α(rad) = 4,014 
 180º 
 
 T2 = eμθ → T2 = 2,718280,3 . 4,014 → T2 = 3,334 → T2 = 3,334.T1 
 T1 T1 T1 
 
 Mf = (T2 – T1).r → 20000 = (3,334T1 – T1).150 → 2,334T1 = 20000 
 150 
 
T2 
 T1 
b 
θ 
 correiaProf. Paulo Luiz da Silva Barros Página 9 de 9 
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T1 = 133,33 → T1 = 57,13 N 
 2,334 
 
Substituindo: T2 = 3,334.T1 → T2 = 3,334.(57,13) → T2 = 190,5 N 
 
✓ Equilíbrio da alavanca de frenagem 
 
Existem 03 tipos de freios de fitas, dependendo da alavanca em que é preza a fita. 
• Freio Normal – uma extremidade da fita é preza no ponto de articulação da alavanca. 
 
 
 
 
• Freio Diferencial – a fita é preza do outro lado da alavanca. 
 
 
 
 
 
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 http://goo.gl/forms/2iCFElgYpK 
 
 
correia 
θ 
 
 
b 
T2 T1 
Sentido horário: 
F1 = a . T1 
 b 
Sentido anti-horário: 
F2 = a . T2 
 b 
Como: F2 > F1, no 
sentido anti-horário 
deve ser evitado 
F1 ou F2 
θ 
T2 
T1 
b 
 
c 
F3 ou F4 
Sentido horário: 
F3 = T2.a – T1.c 
 b 
Sentido anti-horário: 
F4 = T1.c – T2.a 
 b