MODELAGEM E ANÁLISE TÉRMICA DE DISCOS DE FREIO PARA BAJA SAE

Abstract

O projeto do sistema de freio para um protótipo de veículo off-road deve levar em consideração a temperatura atingida pelo disco durante a frenagem, resultado do atrito entre o disco e a pastilha, gerando a transformação da energia cinética em térmica. Temperaturas muito elevadas podem causar falhas catastróficas e silenciosas, como por exemplo perda do sistema de freio, devido a uma redução do coeficiente de atrito e perda de pressão na linha, levada por formação de bolhas no fluido. Por isso, o objetivo geral deste trabalho é analisar o comportamento térmico do disco de freio do protótipo SB7 da Equipe SamaBAJA durante processos de frenagem, para prever falhas e selecionar o design e os materiais que atendam os critérios de segurança. Partindo disso, foi realizada uma análise térmica do disco de freio com rasgos do eixo dianteiro e comparou-se seu desempenho térmico com um disco sólido e um disco ventilado, de mesmo diâmetro, materiais (ferro fundido cinzento, aço inoxidável e aço carbono SAE 1045) e condições do veículo. Para o disco sólido e o disco com aletas, utilizou-se o método analítico para escoamento paralelo em placas planas em condições transientes. Com auxílio do software Matlab, foi analisado o comportamento da temperatura superficial do disco. No caso do disco com rasgos (design definido pela equipe para a competição Baja SAE de 2022), foi empregado o método de elementos finitos no software Ansys para simulação do comportamento térmico, utilizando como condições de contorno o coeficiente convectivo e a potência de frenagem, obtidos no método analítico. No que se refere aos resultados, no método analítico, o material que apresentou menor temperatura média nas duas configurações foi o aço carbono SAE 1045, atingindo 71,74ºC e 60,05ºC em disco sólido e com aletas, respectivamente, evidenciando que o acréscimo das aletas aumenta a área de dissipação do calor e consequentemente reduz a temperatura média do disco. Em relação ao disco com rasgos, considerando que o mesmo seja de aço carbono 1045, foi possível observar que no instante inicial da frenagem, quando é aplicado a potência máxima de frenagem, o disco atinge 180,19ºC, e após 60 segundos de resfriamento, a propagação do calor às regiões circunvizinhas resulta numa redução da temperatura máxima do disco em 55,18%.