Sistema de Freio Antitravamento (ABS) - Conceitos Básicos de funcionamento

O sistema ABS ou de regulação antibloqueio, adiciona a função antitravamento ao sistema básico de frenagem do veículo e tem como função otimizar o processo, com o objetivo de contribuir a estabilidade e segurança do veículo. Os primeiros sistemas ABS foram aplicados no início dos anos 60 na indústria aeronáutica, nos grandes jatos de passageiros.

A primeira aplicação automotiva, de produção em série, foi a do sistema Bosch 2S em 1978.

O sistema ABS, em conjunto com o controle de tração (TC ou ASR) e a suspensão pilotada ou suspensão eletrônica, integra o “Programa Eletrônico de Estabilidade”, identificado com a sigla ESP.
A seguir, alguns conceitos necessários ao entendimento do funcionamento do sistema de freio:

- Força: é toda ação capaz de alterar a velocidade de um corpo;

- Aceleração: é o estado de um corpo cuja velocidade varia. Quando a velocidade aumenta, a aceleração é positiva. Quando diminui, a aceleração é negativa (ou desaceleração).
Para que haja aceleração, a modificação de velocidade pode ser tanto no seu valor como na sua direção. Neste último caso, a aceleração é centrífuga;

- Energia cinética: é a energia mecânica que possui um corpo em movimento;

- Força de Frenagem: é a força resultante do mecanismo de frenagem e que se estabelece no sentido contrário ao movimento do veículo, no ponto de contato do pneu com a pista;

- Atrito, fricção: é a resistência ao movimento relativo entre dois corpos em contato;

- Coeficiente de atrito: é a relação entre a força de atrito e a força normal (perpendicular) à superfície de contato, entre dois corpos em movimento relativo ou com tendência ao movimento.

A fricção manifesta-se de duas formas:
1) Fricção estática;
2) Fricção de movimento, de deslizamento ou cinética.

E depende:
- da natureza dos materiais que constituem os objetos em contato;
- da rugosidade das superfícies em contato;
- da pressão ou força que os mantém em contato;
- da velocidade relativa entre os objetos. Esta última característica é própria da ficção cinética.

Na figura 1, ao acionar o pedal, é gerada uma força hidráulica Fh que comprime as pastilhas contra o disco. A fricção entre as superfícies tende a frear o disco, gerando calor. A força de frenagem Ff se opõe ao sentido de rotação do rotor (disco).
Com o rotor girando, o que existe é fricção cinética ou de movimento, sendo o resultado a geração de calor.
Quando o freio é acionado, a fricção de deslizamento entre os componentes do freio provoca a diminuição da velocidade de rotação das rodas. Isto, por sua vez, aumenta a fricção estática entre os pneus e o piso, diminuindo a velocidade do veículo. Se a fricção cinética dos componentes do freio supera a fricção estática entre os pneus e o piso, a roda se bloqueia (trava) e o veículo começa a deslizar.
Outra forma de analisar o processo é apresentada na figura 2. O peso P do veículo gera duas forças opostas ao ser aplicado o freio:

- Uma força Fv, que depende do peso do veículo e das características da superfície de contato entre o pneu e a pista (fricção estática).
- Uma força Ff (força de frenagem), que depende da característica da superfície de contato entre os componentes do freio; discos e pastilhas ou tambores e lonas (fricção cinética).

A frenagem é estável sempre que Fv é superior a Ff. No caso contrário, Ff maior que Fv, a roda trava e o veículo fica fora de controle. Se as que bloqueiam são as rodas dianteiras, o veículo perde a dirigibilidade.
Portanto, a frenagem mais efetiva é conseguida quando a fricção de deslizamento dos componentes do freio é levemente inferior àquela que provoca o bloqueio ou travamento das rodas.
Precisamente, é esta a função do sistema ABS que atinge tal objetivo acionando e liberando os freios, eletronicamente, várias vezes por segundo.

- Deslizamento: é o movimento relativo entre dois corpos em contato. Durante a frenagem, se verifica a existência de deslizamento entre os elementos do sistema de freio, ou seja, entre as pastilhas e os discos ou entre as lonas e os tambores.
Também há deslizamento entre os pneus e a pista. Ao pressionar o pedal, a velocidade das rodas é gradualmente reduzida e não corresponde com a velocidade da carroçaria. Verifica-se, portanto, certo grau de deslizamento, patinação, entre os pneus e a pista.
Com velocidade constante (figura 3), a velocidade da carroçaria Vv (velocidade do veículo) é igual à velocidade tangencial das rodas Vtr. A velocidade angular (de rotação) da roda é Var.
A condição de 0% de deslizamento indica que a roda gira livremente. Já, 100% de deslizamento é indicação de roda travada (bloqueada), patinando sobre a pista. A força de frenagem atinge seu valor máximo para relações de deslizamento entre 10% e 35%; isto dependendo do tipo e condição da pista.
O gráfico da figura 4 apresenta as curvas que relacionam a “força de frenagem aplicada” e a “força necessária à frenagem da roda”, com a porcentagem de deslizamento da roda com relação ao pavimento.

A força de frenagem aplicada é aquela resultante da pressão hidráulica produzida pelo pedal.

A força de frenagem necessária é aquela necessária para manter a relação deslizamento num valor determinado.

Assim, com uma força F1 pode ser mantida uma relação de deslizamento de 18% (ponto 1) ou de 70% (ponto 1a).

O ponto (1a) só poderá ser atingido se a força aplicada for igual (ou ultrapassar) ao valor máximo FA e, imediatamente, o pedal for aliviado, para produzir uma força de valor F1.

Já com uma força F2 só pode ser mantido um deslizamento de 12%.

Como pode ser observado, sem a ação do ABS, o deslizamento da roda aumenta linearmente com o aumento da força de frenagem aplicada no pedal até, aproximadamente, 35% de deslizamento (ponto A). A partir deste ponto, a força aplicada (linha tracejada) resulta maior que aquela necessária à manutenção do grau de deslizamento dentro de níveis aceitáveis.

Portanto, na medida em que o motorista aplica uma força inferior àquela máxima (FA) do ponto A, o deslizamento aumenta proporcionalmente. No entanto, se a força aplicada supera esse máximo, imediatamente, a roda trava e o deslizamento passa para 100% (velocidade tangencial da roda igual a zero). Isto, porque, a partir do ponto A, a força aplicada é superior àquela necessária à frenagem da roda.

Para o exemplo da figura 4 o ABS atua na faixa de 10% - 35% de deslizamento, evitando assim, o bloqueio da roda.

Na figura 5 são apresentadas curvas de força de frenagem/deslizamento para 4 condições de coeficiente de fricção.
[1]. Pavimento de concreto seco
[2]. Pavimento molhado
[3]. Neve
[4]. Gelo

Na situação [3] verifica-se um aumento da força necessária para deslizamentos acima de 90%, devido a que a roda prestes a travar, empurra a neve formando uma cunha na sua frente.

Controle da Frenagem

Quatro fatores determinam a capacidade de frenagem de um sistema, sendo que os primeiros três controlam a geração da força de fricção:

1. Pressão exercida pelo sistema hidráulico;
2. Coeficiente de fricção dos materiais em contato.
- Se o coeficiente dos elementos de fricção for maior que o especificado, as frenagens não serão suaves, podendo resultar em travamento prematuro das rodas.
- Se o coeficiente for menor que o especificado, o elemento de fricção tenderá a deslizar-se sobre a superfície do tambor, ou do disco, sem diminuir a velocidade de rotação.
3. Superfície de contato dos elementos de fricção. Freios maiores, com maior superfície de contato, conseguem frear mais rapidamente as rodas.
4. Calor dissipado pelo sistema. É o resultado da fricção. Quanto maior a superfície dos elementos de frenagem, mais rapidamente o calor é dissipado. Sistemas que não conseguem dissipar convenientemente o calor gerado pela fricção, experimentam perda de força de frenagem durante freadas acentuadas e contínuas.