Metodologia para cálculo da temperatura na interface pastilha/disco de freio

Abstract

O presente trabalho visa o aprimoramento da medição das temperaturas obtidas em ensaios de fricção em um tribômetro. Ao realizar ensaios para estudo e desenvolvimento de novos materiais de atrito para pastilhas é importante conhecer a temperatura na interface pastilha / disco para cada instante de frenagem. Essa preocupação se deve ao fato da temperatura ser um dos fatores que mais influenciam os materiais de atrito. Em ensaios realizados em bancada de teste, a medição de temperatura superficial é estimada por um termopar fixo localizado no interior do disco e a 3mm da superfície. Essa aproximação pode representar um erro considerável na obtenção do coeficiente de atrito, que geralmente depende da temperatura instantânea de operação. No presente estudo um modelo computacional (criado no software Ansys) para cálculo da temperatura na interface de um disco de freio é descrito. Para a calibração do modelo um conjunto de ensaios experimentais foi realizado em um tribômetro. Nestes, foram obtidos os parâmetros de entrada do modelo como temperatura inicial, velocidade do disco e torque de frenagem. Através do modelo computacional propriedades do material, coeficiente de convecção e radiação foram analisados, junto com a sensibilidade do modelo a variação de cada propriedade, a fim de realizar o ajuste das curvas de temperatura das simulações. Após procedimentos de calibração, os resultados da simulação foram comparados com os dados obtidos por dois termopares localizados no interior do disco de freio. Pelo modelo calibrado, as temperaturas medidas a 3mm e as da interface de contato do par de fricção podem ter uma diferença de até 21% dependendo das condições da frenagem. O modelo computacional foi capaz de proporcionar resultados satisfatórios e se mostrou uma ferramenta útil para prever a distribuição térmica sobre a superfície de contato pastilha / disco de freio durante uma frenagem.

This work aims to improve the measurement of temperature obtained in tests performed on a laboratory-scale tribometer. For research and development of new friction materials for brakes it is important to know the temperature at the interface pad/disc at every instant braking. It is because temperature is considered one of the most influencing factors on the friction results. In tests performed on a testing bench, the temperature measured on the disk surface is estimated by a thermocouple embedded at 3mm from the surface. This approach may represent a considerable error for getting the friction coefficient, which depends on instantaneous temperature. In this study a computational model (developed in software ANSYS) for calculating the temperature at the interface of a brake disk is described. To calibrate the model a set of experimental tests has been performed on a laboratory-scale tribometer. From that, it was obtained the input parameters for the model, such as initial temperature, disk speed and braking torque. By computational model material properties, convection coefficient and radiation were evaluated, along with the sensitivity of the model to variation of each property, in order to perform the adjustment of temperature curves of the simulations. After the calibration procedure, simulation results were compared with data experimentally obtained by means of two thermocouples. For the calibrated model, the measured temperatures for 3 mm and on the contact interface of the pair of friction can have a difference of up to 21% depending on the conditions of braking. The computational model was able to provide satisfactory results and also proved to be a useful tool to predict the thermal distribution on the contact surface pad / brake disc during braking.