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Type: Dissertação
Title: Análise computacional por elementos finitos do impacto da geometria e do material no desempenho térmico de discos de freio automotivos
Author: Gonçalves, Gabriel Benazzi Lavinas
First Advisor: Bastos, Flávia de Souza
Co-Advisor: Vecchio, Sara del
Referee Member: Hallak, Patricia Habib
Referee Member: Scari, Alexandre da Silva
Resumo: O sistema de freios está diretamente ligado à segurança veicular. Atualmente, os automóveis utilizam dois tipos principais de freios: a disco e a tambor. O dimensionamento adequado de todos os componentes desse sistema é fundamental para garantir seu desempenho. Diante disso, o presente estudo teve como objetivo analisar, por meio de simulações computacionais, utilizando como base o método de elementos finitos, o comportamento térmico de diferentes tipos de discos de freio submetidos a condições de frenagem intensas e extremas. Foram simulados três discos de freio (sólido, ventilado e perfurado) variando-se o material dos mesmos com Liga de Alumínio 1060, Ferro Fundido Cinzento e Aço SAE 1020 em três percursos diferentes, uma frenagem em declive, uma frenagem de emergência e 15 frenagens consecutivas com tempo de resfriamento entre cada uma. Os resultados indicaram que os discos ventilados demonstraram um desempenho significativamente superior ao disco sólido no que se refere à dissipação de calor. A temperatura mais elevada registrada foi de 576°C para o disco sólido de ferro fundido, durante uma frenagem em declive de 320 segundos. Em comparação, o disco ventilado convencional atingiu 380°C, enquanto o ventilado perfurado alcançou 363°C, ambos também de ferro fundido, reforçando a superioridade dos modelos ventilados no resfriamento. Além disso, a escolha do material teve grande influência nos resultados, sendo o alumínio o que apresentou a melhor dissipação térmica em relação ao aço e ao ferro fundido. Com base nessas análises, conclui-se que os discos ventilados são mais indicados para situações de frenagem intensa, como nos eixos dianteiros, enquanto os discos sólidos, por serem mais econômicos e menos eficientes, são mais adequados para os eixos traseiros.
Abstract: The braking system is directly linked to vehicle safety. Currently, automobiles use two main types of brakes: disc and drum brakes. Proper sizing of all components in this system is essential to ensure its performance. In this context, the present study aimed to analyze, through computational simulations based on the finite element method, the thermal behavior of different types of brake discs subjected to intense and extreme braking conditions. Three brake discs (solid, ventilated, and perforated) were simulated, with different materials used: 1060 Aluminum Alloy, Gray Cast Iron, and SAE 1020 Steel, in three different scenarios: a downhill braking, an emergency braking, and 15 consecutive braking events with cooling time between each. The results indicated that ventilated discs demonstrated significantly superior performance compared to solid discs in terms of heat dissipation. The highest recorded temperature was 576°C for the solid cast iron disc during a 320-second downhill braking event. In comparison, the conventional ventilated disc reached 380°C, while the ventilated and perforated disc reached 363°C, both also made of cast iron, reinforcing the superiority of ventilated models in cooling efficiency. Furthermore, material selection had a significant impact on the results, with aluminum exhibiting the best heat dissipation compared to steel and cast iron. Based on these analyses, it is concluded that ventilated discs should be prioritized for high-braking-load situations, such as in front axles, while solid discs, being more cost-effective but less efficient, are more suitable for rear axles.
Keywords: Transferência de calor
Sistema de freios
Método dos elementos finitos
Análise estrutural mecânica aplicada
Heat transfer
Braking system
Finite element method
Applied mechanical structural analysis
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/18857
Issue Date: 25-Mar-2025
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