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A embreagem automotiva é um sistema mecânico instalado entre o motor de combustão interna e a caixa de transmissão e é composto basicamente por três componentes: o volante do motor, o disco da embreagem e o platô. O volante é parafusado no virabrequim e gira solidário a este e, no platô está fixada a placa de pressão. O disco da embreagem localiza-se entre o volante do motor e o platô e, por meio de estrias encaixa no eixo primário da caixa de câmbio (transmissão). No disco da embreagem são rebitados dois materiais de fricção, um de cada lado.

As figuras 2.1.1-a e 2.1.2-b (em maior aumento) apresentam a localização da embreagem no interior de um veículo e, as figuras 2.1.1-c à 2.1.1-e apresentam os três principais componentes.

Figura 2.1.1: (a) Localização da embreagem manual a seco no interior do veículo e (b) detalhe da instalação entre o motor e a caixa de transmissão; os três principais componentes: (c) volante do motor, (d) material de fricção rebitado no disco da embreagem e (e) placa de pressão fixada no platô (GRUPO ZF - BU TNB CV, 2015).

- a - - b -

- c - - d - - e -

placa de pressão

A embreagem, por intermédio do pedal de acionamento, tem por finalidade acoplar e desacoplar o motor da caixa de transmissão, para possibilitar a troca de marchas. Ao acionar o pedal, o platô recua a placa de pressão que está atuando sobre o disco da embreagem e essa ação faz com que o disco fique totalmente livre, sem nenhum contato com a placa de pressão ou com o volante do motor.

À medida que o pedal é liberado, o platô faz com que a placa de pressão avance sobre o disco, comprimindo-o contra o volante. Durante esse período há contato e deslizamento entre os pares atritantes. Quando o pedal de acionamento está na posição de repouso, a embreagem está totalmente acoplada e toda a força é exercida sobre a placa de pressão. Nessa situação prevalece o contato estático.

Conforme a norma NBR 6050 (1995), a principal função da embreagem é transmitir o torque do motor de combustão interna para a caixa de transmissão, de forma eficiente e regular. Para isso, é desejável que o nível do coeficiente de atrito entre as superfícies atritantes seja de no mínimo 0,27.

Além de um coeficiente de atrito satisfatório, os materiais devem atender as demais características: baixo custo e densidade; durabilidade; estabilidade geométrica; resistência mecânica e térmica. Além dessas, deseja-se também que sejam ambientalmente responsáveis; isto é, materiais nos quais sejam empregadas matérias-primas que não causem danos ao meio ambiente ou que coloque em risco a saúde dos usuários diretos e indiretos.

O volante do motor e a placa de pressão são usualmente constituídos de ferro fundido cinzento perlítico, contendo de 3 a 4% de carbono, que também aparece livre na matriz perlítica na forma de veios de grafita. O ferro fundido é utilizado como contracorpo, pois além de apresentar propriedades térmicas desejáveis, apresenta boa resistência mecânica, resistência ao desgaste satisfatória, boa capacidade de amortecimento de vibrações, além do baixo custo e da fácil manufaturabilidade (GUESSER e GUEDES, 1997; RIAHI e ALPAS, 2003; CHIAVERINE, 2005; RADZIKOWSKA, 2005).

Já no material de fricção pode ser empregado mais de dez diferentes tipos de matérias-primas, que estão divididas em cinco grupos: matriz orgânica, fibras de reforço e fios metálicos, cargas e aditivos (JACKO e RHEE, 1992; ERIKSSON, BERGMAN e JACOBSON, 2002; BETTEN, 2003; CHAN e STACHOWIAK, 2004).

A matriz orgânica é usualmente composta por resinas poliméricas e elastômeros [os mais usuais são o butadieno estireno (SBR) e o acrilonitrila butadieno (NBR)], que além de serem de baixo custo e de favorecer a processabilidade, é um meio adesivo para conectar os outros ingredientes. Isto é, além de apresentarem resistência ao desgaste satisfatória, ligam as fibras de reforço umas as outras, as protegem contra danos superficiais e, atuam como uma barreira para minimizar a propagação de trincas. Além disso, formam um núcleo tenaz, favorecendo o amortecimento e absorção das vibrações que são geradas por impactos decorrentes do uso inadequado da embreagem.

As fibras de reforço têm por principal finalidade elevar a resistência mecânica à tração do material de fricção e, consequentemente aumentar a sua resistência a ruptura em velocidades de rotação elevadas. As fibras de reforço mais comuns são: a poliamida aromática (arâmida), a poliacrilonitrila (acrílico) e a fibra de vidro.

Os fios metálicos como o cobre, as ligas de cobre e o aço de baixo carbono, aumentam a capacidade de dissipação térmica do material de fricção. Contribuem para dissipar o calor gerado pelo atrito, proporcionando uma maior estabilidade térmica e minimizando a possibilidade da degradação térmica dos constituintes orgânicos.

As cargas adicionadas à matriz são divididas em dois grupos: as de enchimento e as abrasivas. No primeiro grupo estão as cargas de baixo custo, cuja finalidade primária é dar volume ao material e reduzir custos, porém sem prejudicar as propriedades funcionais. Cita-se como exemplos o carbonato de cálcio, a vermiculita e os materiais a base de sílica, como as argilas. Já no segundo grupo, encontram-se as cargas conhecidas como modificadoras, pois são adicionadas para elevar o nível do coeficiente de atrito e limpar a superfície do contracorpo. Dessa forma controlam a sua rugosidade e removem as camadas de óxidos, ou outras camadas que se formam na superfície metálica. São exemplos de cargas abrasivas: a alumina, a sílica e a barita.

Os aditivos são os lubrificantes sólidos, que são adicionados para estabilizar o coeficiente de atrito, principalmente em temperaturas mais elevadas. A mais conhecida e utilizada é a grafita.

Os materiais de fricção diferenciam-se um dos outros, principalmente, por sua composição química. A seleção das matérias-primas bem como os parâmetros dos processos de manufatura dependerá das propriedades que se deseja obter, que por sua vez, dependem das condições de aplicação da embreagem.

O ciclo de manufatura do material de fricção é divido em três processos: o químico, o térmico e o mecânico.

No processo químico, as fibras de reforço juntamente com os fios metálicos são mergulhadas numa solução polimérica para serem impregnados por essa solução e dessa maneira formar uma fita, que na sequência é tramada para dar a forma circular ao material de fricção.

No processo térmico, as peças tramadas são moldadas a quente, com pressão e temperatura controladas. Nesta etapa já é proporcionado ao material de fricção uma pré-vulcanização. As peças conformadas vão para o tratamento térmico onde permanecem de 10 a 20 horas dentro de fornos, com temperatura definida e rigorosamente controlada. Esta fase é de fundamental importância, pois é onde o material vulcanizará por completo; ou seja, será curado para adquirir as propriedades desejadas.

No processo mecânico, o material de fricção é retificado para obter a espessura, o paralelismo e o acabamento superficial conforme a especificação. Por fim, é furado para possibilitar a sua rebitagem no disco e na sequência, são inspecionados e, estando em conformidade, são liberados para comercialização.

O desempenho funcional da embreagem é bastante influenciado pelos tipos e proporções das matérias-primas utilizadas no material de fricção, além das condições de manufatura. Tudo isso promove um conflito de interesses, uma vez que, é muito complexo e desafiador desenvolver um novo material, no qual se busca otimizar uma propriedade sem comprometer outra já obtida.

No sistema embreagem há contato por deslizamento, desgaste dos componentes atritantes e demanda por um coeficiente de atrito de nível satisfatório. Logo a aplicação dos conceitos e princípios da tribologia se fazem pertinentes para potencializar a sua eficiência.