Caracterização físico-tribológica de materiais de travagem

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraA finalidade dos travões é desacelerar o veículo, através da transformação da energia cinética em calor, dissipando para o meio através do atrito. Os materiais de travagem fazem parte integrante de veículos pesados ou ligeiros e, têm, por isso, requisitos específicos, tais como: a resistência à corrosão, peso reduzido, longa vida, baixo ruído, atrito estável, baixa taxa de desgaste, e uma relação aceitável entre custo e desempenho. Existem dois tipos de sistemas de travagem – travões de tambor/calços e travões de disco/pastilhas. De modo a atingir o desempenho necessário, a maior parte dos materiais de atrito não são constituídos por um único elemento ou composto, antes são materiais compósitos. Mais de 2000 materiais diferentes e suas variantes são actualmente usados em componentes comerciais para pastilhas de travão. No que diz respeito à sua função, os materiais de travagem são classificados em quatro categorias principais: matriz, conhecido como material de ligação, fibras, modificadores de atrito e materiais de enchimento/reforço [1]. A matriz é o núcleo do compósito pois tem a função de aglomerar firmemente todos os ingredientes, de modo a que cada um desempenhe a sua função de material de atrito. As fibras, por sua vez, são adicionadas para uma maior resistência, enquanto os modificadores de atrito são usados para manipular a gama de coeficiente de atrito desejado. Os materiais de enchimento/reforço pretendem manter o coeficiente de atrito numa gama elevada de temperaturas, e também, reduzir custos. Os fabricantes de material de atrito reivindicam excelente resistência ao desgaste mas não dão garantias de uma determinada vida útil dos seus produtos, e, raramente publicam dados relativamente ao desgaste dos materiais por eles produzidos. Os ensaios à escala de material de travagem é muito demorado e muito custoso. Deste modo, existem inúmeros testes a escala reduzida que permitem a comparação, mais rápida, de diferentes formulações. Este tipo de equipamento não permite simular e obter resultados idênticos aos obtidos pelos materiais em serviço. Para além da complexidade dos materiais de atrito para travagem, a sua caracterização mecânica e tribológica também é difícil. A presente dissertação tem, como objectivo principal, a caracterização mecânica e tribológica de quatro materiais de desgaste de travagem - pastilhas - para veículos pesados, sendo estes o ACERCHINA, o ATV 55, o FRASLE FLE1749 e o JURID FF29. Para o efeito foi usado um equipamento a uma escala reduzida que permitiu variar os parâmetros que mais influenciam a travagem, e, controlar a temperatura e a força de atrito das pastilhas em estudo. Nos ensaios tribológicos foram usadas três velocidades de travagem e três forças normais. Como outputs foram obtidas as temperaturas das pastilhas e a força de atrito ao longo do ensaio. O desgaste de cada conjunto de pastilhas ensaiado foi determinado através de pesagem. A comparação do desempenho das formulações foi realizada através da representação gráfica de força e coeficiente de atrito ao longo da distância de escorregamento, bem como os volumes de desgaste de todas as condições e materiais. Por forma a complementar a caracterização tribológica, e para auxiliar a compreensão dos resultados, foram determinados os valores de dureza, densidade e o módulo de elasticidade para várias temperaturas. As amostras ensaiadas foram também observadas através de microscopia óptica e microscopia electrónica de varrimento. Genericamente, observou-se, para todos os materiais, que o volume de desgaste, para a mesma pressão, sofria um aumento quando a velocidade de escorregamento aumentava. O volume desgastado aumentava ainda mais quando se mantinha a velocidade e se aumentava a pressão. Em alguns materiais, mas apenas em algumas condições de ensaios, ocorreu uma diminuição abrupta da força de atrito e consequentemente diminuição da temperatura da pastilha. Outros materiais registaram um ruído agudo na maior parte dos ensaios. No que concerne às propriedades mecânicas, o módulo de elasticidade de todas as pastilhas diminuiu com o aumento da temperatura. Com o aumento da dureza das pastilhas verifica-se um aumento do desgaste específico [mg/MJ]. As formulações com melhor desempenho foram: o JURID no coeficiente de atrito, por registar valores mais elevados; o ATV na temperatura, por dissipar melhor a energia térmica; e o FRASLE no volume de desgaste, por ter valores mais reduzidos de desgaste volúmico e o único dentro dos valores de referência do desgaste específico.The main purpose of brakes is to decelerate vehicles, by dissipating the kinetic energy into heat to the environment through friction. Braking materials are an integral part of heavy or light vehicles, and therefore have specific requirements, such as corrosion resistance, low weight, long life, low noise, stable friction, low wear rate, and an acceptable relation between cost and performance. There are two types of braking systems - brake drum/shoes and brake disc/pads. In order to achieve the required performance, most of the friction material are not constituted by a single element or compound, but by several components, they are composite materials. More than 2000 different variants of materials are currently used in commercial components for brake pads. With regard to its function, brake materials are classified into four major categories: matrix or binder material, fibers, friction modifiers, and fillers/reinforcements. Binder is the heart of a system which binds the ingredients firmly so that they can perform the desired function in the friction materials. Fibers in combination are added mainly for strength, while friction modifiers are used to manipulate the desired range of friction. Fillers/reinforcements are intended to maintain the friction coefficient in a high temperature range and also reduce costs. Friction material manufacturers claim excellent wear resistance but do not guarantee a certain life span of their products, and, rarely publish data regarding the wear of the materials they produce. Braking material test to scale are time consuming and very expensive. Thus, there are numerous small scale tests which allow a faster and inexpensive comparison between different formulations. This type of equipment cannot simulate and obtain results identical to those obtained for the materials in service. In addition to the complexity of brake friction material its tribological and mechanical characteristics is also problematic. The main objective of the present work is the mechanical and tribological characterization of four braking wear materials - pads - for heavy vehicles. Regarding this objective, a small scale tribometer was used to allow a parametric study on braking, and to control pads temperature and the friction force. In the tribological tests were used three sliding speeds and three normal forces. Pads temperature and friction force were the outputs of the tests. Wear volumes for each set of pads tested was determined by weighing. The performance comparison of formulations was done by plotting the friction force versus slip distance, and the evaluation of material removed by wear of all wear conditions and material formulation. In order to complement the tribological characteristics, and aid the understanding of the results, hardness values and density were determined. The elastic modulus was determined for various temperatures. The test samples were also observed in an optic microscope and a scanning electron microscope. Generally, all materials have an increase in wear volume, for the same normal pressure, when the sliding speed increases. A bigger amount of volume was worn when, at constant sliding speed, the normal pressure increased. Some materials, for determined test conditions, have a clear decrease of the friction force and consequently decreasing in pads temperature. Other materials squealed in most tests. For what mechanical properties concerns, the elastic modulus of all the pads decreased with increasing temperature. An increase in pads hardness presented an increase in specific wear [mg/MJ]. The formulations with best performances were: JURID in friction coefficient, for the higher achieved values; ATV in temperature, due to dissipate the thermal energy better than the other formulations; and FRASLE for volume wear, for being the one with the lowest values of volume worn during the tests and the only one to keep its values within the ideal in specific wear