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O futuro da tecnologia de freios está indo da pista até os carros de luxo e carros comuns

Quando um piloto de F1 pisa no freio, ele não está aplicando pressão real no cilindro mestre. Ele está enviando um sinal para o computador que vai determinar qual pressão será aplicada nos freios traseiros

Por Antônio Gaspar

Assim como os carros atuais não tem mais o cabo de acelerador que receberam um sistema de aceleração drive by wire, já estamos na era do brake by wire.  

Essa tecnologia de freio através de fios corta a ligação física entre o pedal e o próprio sistema de freio. Também já temos a direção elétrica que segue o mesmo princípio de funcionamento através de fios.  

Os sensores e os atuadores fazem a leitura da quantidade de pressão que estão recebendo e essa força é interpretada e transferida através do acionamento de um motor elétrico incorporado ao sistema de freio ABS, para todas as rodas usando fluido hidráulico. (Fig.1) 

A Fórmula 1 adotou esta tecnologia desde 2014 somente para os freios traseiros, os freios dianteiros ainda são convencionais. Algumas montadoras já estão experimentado essa tecnologia e em breve chegará na maioria dos carros em produção. (Fig.2) (Fig.3) 

Fabricantes como a Toyota estão implementando o freio elétrico em veículos híbridos e em alguns não híbridos e recentemente a Alfa Romeo em parceria com a Continental, que é mais conhecida por fabricar pneus, desenvolveu um módulo de controle que executa mais sistemas do que apenas sua atuação básica de freio.  

O módulo de controle substitui o servo-freio original e também executa controle eletrônico de estabilidade e ABS. Esses sistemas são tradicionalmente executados por módulos separados, aumentando a complexidade e o peso de um carro. 

Os sistemas de freios elétrico são mais eficiente e reduzem a distância de frenagem parando mais rápido, não apenas porque o computador é mais rápido que uma pessoa. 

Um sistema de frenagem convencional pode ir da força de frenagem zero até o travamento total em 300 milissegundos, enquanto o IBS – Integrated Braking System da Alfa, pode realizar o feito em 100 milissegundos graças ao propulsor do freio. Isso se traduz em distâncias de parada mais curtas em uma aplicação de freio de emergência. 

Pensando na eletrificação de um carro, porque os veículos híbridos são totalmente elétricos e usam sistema de freio regenerativo, isto significa que, ao tirar o pé do acelerador, o carro usa o momento do veículo como a energia mecânica para colocar o motor elétrico em marcha à ré, o que gera eletricidade para recarregar as baterias enquanto diminui a velocidade. 

A Alfa, como muitos outros fabricantes, vai querer usar um sistema de frenagem controlado eletricamente para funcionar com os freios regenerativos. Um sistema mecânico no meio de toda a eletrônica não permite tanto controle sobre como o veículo reage à desaceleração, através do uso combinado de frenagem regenerativa e freios de atrito padrão. Mais controle sobre os freios significa regeneração de potência máxima e uma parada mais perfeita. 

A presença de freio elétrico em um carro de alto desempenho como o da Alfa é importante, porque esses veículos são uma plataforma de teste para ver como os entusiastas reagem aos sistemas elétricos que substituem as partes mecânicas.  

A resistência e o medo dos motoristas têm sido o maior obstáculo para a fluência das tecnologias por cabo em carros de consumo. Mas eles estão chegando.  

Motor elétrico no lugar do servofreio 

Sistemistas já oferecem para as montadoras um conjunto de freios que é auxiliado por um motor elétrico, pelo menos por enquanto a hidráulica permanece, mas a nova abordagem substitui o servofreio convencional por um motor que funciona no pistão do cilindro mestre para adicionar força quando o motorista pressiona o pedal do freio. (Fig.4) 

A assistência elétrica do freio não deve ser confundida com um motor ou bomba ABS convencional. Um motor ABS opera os solenoides que aliviam a pressão do freio hidráulico apenas no ponto de travamento e pode ajudar a reconstruir a pressão conforme necessário.  
 
A motivação principal por trás da assistência elétrica é a crescente gama de tecnologias de assistência ao motorista e o advento da 
direção automatizada .  

Como os carros estão se tornando gradativamente autônomos, o aumento do freio elétrico facilitará a operação precisa dos freios, se necessário. O impulso elétrico pode aumentar a pressão hidráulica mais rapidamente. Também elimina qualquer risco de uma breve perda de vácuo que afeta a operação e o desempenho do freio. 

Ainda assim, os freios elétricos completos precisarão de motores mais potentes e presumivelmente maiores, para gerar a força atualmente fornecida pelo fluido hidráulico. Um dos desafios do desenvolvimento são os motores suficientemente fortes, mas também pequenos e leves. Outro é para fornecer as redundâncias de frenagem atualmente exigidas pelas normas de segurança como exemplo, linhas de freio elétrico e outra com acionamento hidráulico. 

A SAE - Society of Automotive Engineers - determinou níveis de tecnologia aplicada em um veículo, sendo; 

Nível 0 - Sem automação de direção;  

Nível 1 – Assistência ao motorista, controle de cruzeiro adaptativo ou centralização de pistas, em que o condutor supervisiona e pode retomar a condução; 

Nível 2 -  Automatização de direção parcial, controle de cruzeiro adaptativo e centralização de pistas, em que o condutor supervisiona e pode retomar a condução; 

Nível 3 – Condução automatizada condicional, condução automatizada em tráfego intenso e em autoestrada em baixa velocidade, o motorista assume o controle após advertência; 

Nível 4 – Condução automatizada de nível elevado, condução automatizada nas cidades e estradas, o carro para de forma segura sem a intervenção do motorista; 

Nível 5 – Condução totalmente automatizada em qualquer lugar, o carro para de forma segura sem a intervenção do motorista. 

Freios Eletro-Hidráulicos  

A atual safra de sistemas de freio a cabo usa um modelo eletro-hidráulico que não é totalmente eletrônico. Esses sistemas ainda possuem sistemas hidráulicos, mas o motorista não ativa diretamente o cilindro mestre pressionando o pedal do freio. Em vez disso, o cilindro mestre é ativado por um motor elétrico ou bomba que é regulado por uma unidade de controle. 

Quando o pedal do freio é pressionado em um sistema eletro-hidráulico, a unidade de controle usa informações de vários sensores para determinar a força de frenagem necessária para cada roda. O sistema pode então aplicar a quantidade necessária de pressão hidráulica em cada uma das pinças de freios. 

A outra principal diferença entre os sistemas de freio hidráulico eletro-hidráulico e tradicional é a quantidade de pressão envolvida. Os sistemas de freio eletro-hidráulicos normalmente operam sob pressões muito mais altas que os sistemas tradicionais.  

Os freios hidráulicos operam a cerca de 800 PSI em condições normais de condução, enquanto os sistemas eletro-hidráulicos mantêm pressões entre 2.000 e 2.300 PSI. 

Sistemas eletromecânicos plenos 

Enquanto os modelos de produção ainda usam sistemas eletro-hidráulicos, a verdadeira tecnologia de freio por cabo acaba com a hidráulica por completo. Essa tecnologia não apareceu em nenhum modelo de produção devido à natureza crítica de segurança dos sistemas de freio, mas passou por pesquisas e testes significativos. 

Ao contrário dos freios eletro-hidráulicos, todos os componentes de um sistema eletromecânico são eletrônicos. As pinças têm atuadores eletrônicos em vez de cilindros hidráulicos, e tudo é controlado diretamente por uma unidade de controle, em vez de um cilindro mestre de alta pressão. Esses sistemas também requerem um número de componentes adicional, incluindo temperatura, força de fechamento e sensores de posição do atuador em cada calibrador. 

Os freios eletromecânicos também incluem redes de comunicação complicadas, pois cada calibrador precisa receber várias entradas de dados para gerar a quantidade adequada de força de frenagem. E devido à natureza crítica de segurança desses sistemas, normalmente tem que haver um barramento secundário redundante para entregar dados brutos aos calibradores. 

A questão delicada de segurança da tecnologia Brake-by-Wire 

Embora os sistemas de freios hidrelétricos e eletromecânicos sejam potencialmente mais seguros que os sistemas tradicionais, devido ao potencial de maior integração com ABS, ESC e outras tecnologias similares, as preocupações de segurança os impediram de avançar.  

Os sistemas tradicionais de freio podem falhar, mas somente uma perda catastrófica de pressão hidráulica irá impedir completamente o motorista da capacidade de parar ou desacelerar, enquanto sistemas eletromecânicos inerentemente mais complexos têm uma infinidade de possíveis pontos de falha. 

Os requisitos para o desenvolvimento de sistemas críticos de segurança, como freio a cabo, são regidos por padrões de segurança funcionais, como o ISO 26262, que destina-se a ser aplicado a sistemas relacionados com segurança que incluam um ou mais sistemas eléctricos e ou eletrônicos instalados em veículos de passageiros de produção em série. (Fig.5) 

Embora a condução automatizada seja um grande passo para o futuro da mobilidade individual segura e confortável, uma coisa não mudará: em conjunto com a direção, os freios continuarão sendo o elemento mais importante da segurança ativa.  

Quando o condutor transfere a responsabilidade de condução total para o veículo, o sistema de freio eletrônico (EBS) deve ser capaz de executar a função de frenagem, mesmo em um caso raro de uma possível falha do sistema de freio eletrônico primário.  

Com as inovações tecnológicas aplicadas ao sistema de freios, vem também as novas nomenclaturas que precisam ser bem entendidas. 

ABS / sistema anti-travagem dos freios   

Um grande benefício, especialmente em pista molhada, o ABS evita que as rodas travem quando o freio é acionado. Usando bombas e sensores, o ABS aplica os freios em várias pequenas doses em condições delicadas, proporcionando assim mais controle e também reduz a distância de frenagem. 

EBD / Distribuição Eletrônica da Força de Frenagem 

Quando o freio é acionado, a força precisa ser dividida entre todas as rodas com base na quantidade de aderência que os pneus podem oferecer. Os pneus que têm mais peso sobre eles oferecem a melhor aderência, porque a carga os empurra mais contra o piso e, portanto, quando se pressiona o freio, o EBD é ativado antes do ABS entrar em ação e enviar automaticamente mais potência de frenagem para esses pneus. 

BA / Brake-Assist 

Simplificando, a BA é como um amplificador de freio. Quando o freio é pressionado de uma maneira mais rápida que o normal, o sistema detecta uma emergência e a força de frenagem aplicada é maior que a pressão no pedal do freio, compensando erros de julgamento e reação retardada do motorista. 

TCS / Sistema de Controle de Tração 

O TCS é uma característica importante em carros mais potentes, já que sua entrega pode se revelar excessiva para os pneus. Se uma roda individual se move mais rápido do que outra, a TCS detecta isso e aplica automaticamente uma pequena quantidade dos freios a essa roda em particular para impedi-la de sair do controle. 

ESP / Programa Eletrônico de Estabilidade 

O ESP monitora suas entradas e as compara com o comportamento real do veículo para manter o carro estável. Se houver uma diferença no ângulo do volante e na direção em que o carro está se movendo, o ESP controlará a potência e a força de frenagem enviadas para cada roda usando vários sensores. 

Controle HHC / Hill-Hold 

O HHC usa sensores para determinar se o seu carro parou em subida ou descida e mantém os freios por alguns segundos, mesmo sem o pé no freio. Isso permite tempo suficiente para voltar ao acelerador e seguir em frente, sem o risco do carro voltar. 

TPMS / Sistema de Monitoramento da Pressão dos Pneus 

O TPMS verifica a pressão dos pneus para garantir que o carro ofereça a melhor aderência, manuseio, conforto e estabilidade, avisando se a pressão cair abaixo do nível exigido. 
 
O EDIB (Electric Driven Intelligent Brake) permite e controla a otimização do freio regenerativo e do freio de atrito normal (freio hidráulico).  
Depois de pisar no pedal de freio, o sistema produz força de frenagem natural e adequada que corresponde à operação. A quantidade de regeneração de energia também precisa ser aumentada tanto quanto possível.  

Para finalizar, temos cinco motivos para a evolução do sistema de freios; 

Eletrificação - previsão que 24% de todos os carros novos vendidos serão movidos a bateria em um futuro não muito distante. A eletrificação, juntamente com outros esforços para reduzir as emissões, impulsionará a adoção de freios de estacionamento eletromecânicos e sistemas de frenagem regenerativos, 

Carros autônomos - Espera-se que os veículos autônomos evoluam através de diferentes níveis de automação (de nível 1 para nível 5) até que 35% de todos os carros novos sejam nível 3+ até 2030. Esses veículos exigirão sistemas de freio de emergência automatizados e freios elétricos, 

Conectividade - A conectividade do veículo está se movendo rapidamente para uma sofisticação que permite que cada carro saiba exatamente onde todos os outros carros estão na estrada. Futuros sistemas de freio precisarão estar conectados eletronicamente nesses novos sistemas, 

Nova Mobilidade - As opções por uso e integração de smartphones, mobilidade compartilhada, poderá gerar 40% dos lucros do setor automotivo até 2030 e aumentar ainda mais a necessidade de tecnologia sofisticada de freios. 

Redução de peso - A necessidade da indústria automobilística de reduzir o peso do veículo forçará a mudança para materiais ainda mais resistentes e mais leves, como o alumínio, para freios que reduzirão o peso do veículo sem sacrificar a segurança dos passageiros. 

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