Sistema de freio a ar: como funciona em caminhões e trens
Caminhões, ônibus e trens freiam com ar comprimido. Um compressor enche reservatórios, o pedal libera esse ar para câmaras em cada roda, e a pressão empurra as peças que apertam o freio. O sistema de freio a ar tem uma propriedade que o freio hidráulico dos carros não tem: quando o ar acaba, o freio aplica sozinho.
Este artigo explica como funciona o sistema de freio a ar, com as pressões de trabalho, a força de uma câmara de freio e a conta da distância de parada de um caminhão. As fontes são o manual americano de habilitação de motoristas profissionais, o manual de freios da Bendix, a norma federal de freios dos EUA, uma decisão da Suprema Corte americana sobre as patentes de Westinghouse e as resoluções do Contran.
As peças do sistema num caminhão
O manual de habilitação profissional, na edição do estado de Nova York, descreve o conjunto:
- Compressor. Movido pelo motor, bombeia ar para os reservatórios.
- Regulador. Faz o compressor parar de bombear quando a pressão chega a cerca de 125 psi (8,6 bar) e voltar a bombear quando cai para perto de 100 psi (6,9 bar).
- Reservatórios. Guardam ar suficiente para várias frenagens, mesmo com o compressor parado.
- Válvula de segurança. Abre a cerca de 150 psi (10,3 bar), se o regulador falhar.
- Válvula do pedal. Quanto mais o motorista pisa, mais pressão libera para os freios.
- Câmaras de freio. Uma em cada roda. No tipo mais comum, o ar empurra uma haste, que move uma alavanca, que gira um eixo com um came em forma de S, e o came abre as sapatas contra o tambor. Há também freios pneumáticos a disco e de cunha.
O ar comprimido carrega água e óleo do compressor, que fazem mal ao sistema. O manual manda drenar os reservatórios ao fim de cada dia, e os veículos atuais usam um secador de ar entre o compressor e os reservatórios. A parte final do caminho, o atrito que transforma movimento em calor, é a mesma de como funcionam os freios a disco.
A força de uma câmara
A força que o ar faz é a pressão multiplicada pela área. Uma câmara do tipo 30, comum em eixos de caminhão, tem 30 polegadas quadradas de área efetiva, segundo o manual de freios a ar da Bendix. Com 100 psi (libras por polegada quadrada):
30 × 100 = 3.000 libras-força, ou 3.000 × 4,448 ≈ 13.300 N.
São cerca de 1,36 tonelada-força na haste de cada câmara, antes da multiplicação pela alavanca e pelo came. Um pé humano não chega perto disso, e o ar faz o trabalho em todas as rodas ao mesmo tempo.
O freio que aplica quando o ar falta
O freio de estacionamento e de emergência dos veículos pesados usa molas fortes. A mola fica o tempo todo tentando aplicar o freio, e é a pressão do ar que a mantém recolhida. Sem ar, a mola vence. Segundo o manual, os freios de mola aplicam totalmente quando a pressão cai para a faixa de 20 a 45 psi (1,4 a 3,1 bar).
Antes disso, o motorista é avisado: o aviso de baixa pressão tem de acionar antes de a pressão nos reservatórios cair abaixo de 60 psi (4,1 bar). E o circuito é duplo, com dois sistemas de ar separados comandados pelo mesmo pedal, para que um vazamento não tire o freio do veículo inteiro.
O resultado é um sistema que falha para o lado seguro. Num carro, um vazamento de fluido enfraquece o freio, e nada o aplica sozinho. Num caminhão, um vazamento grande de ar faz as molas aplicarem o freio nos eixos que as têm.
Por que ar, e não fluido
A explicação a seguir é raciocínio nosso; não encontramos a comparação escrita numa fonte primária. O ar é gratuito e inesgotável, e um vazamento pequeno é reposto pelo compressor. Acoplar e desacoplar uma carreta exige só duas mangueiras de engate rápido, sem risco de entrar bolha num circuito de fluido. E a força disponível depende da área da câmara, que pode ser tão grande quanto o eixo precisar.
O preço é o tempo de resposta. Fluido hidráulico praticamente não se comprime, e o freio do carro responde na hora. O ar é compressível e leva um tempo para percorrer a tubulação e encher as câmaras.
A conta da distância de parada
O manual de habilitação decompõe a parada de um caminhão a 55 milhas por hora (88,5 km/h) em piso seco:
| Etapa | Distância (pés) | Distância (m) |
|---|---|---|
| Percepção do perigo | 142 | 43,3 |
| Reação do motorista | 61 | 18,6 |
| Atraso do ar | 32 | 9,8 |
| Frenagem | 216 | 65,8 |
| Total | 451 | 137,5 |
A conversão para metros é nossa (1 pé = 0,3048 m). A linha do atraso do ar é a que só existe em freio pneumático: segundo o manual, a 55 milhas por hora ela acrescenta cerca de 32 pés. Como 55 milhas por hora são 24,6 m/s, os 9,8 m correspondem a 9,8 ÷ 24,6 ≈ 0,4 segundo entre pisar no pedal e o freio agir.
Da etapa de frenagem sai a desaceleração: a = v² ÷ (2 × d) = 24,6² ÷ (2 × 65,8) ≈ 4,6 m/s², pouco menos da metade da aceleração da gravidade. Um carro de passeio em piso seco freia bem mais forte que isso. Por isso a distância de seguimento de um caminhão precisa ser maior.
A norma americana ficou mais exigente. Desde 2011 e 2013, conforme o tipo de veículo, a maioria dos cavalos mecânicos carregados tem de parar em 250 pés (76,2 m) a partir de 60 milhas por hora (96,6 km/h), e os mais pesados, em 310 pés; o limite anterior era de 355 pés, segundo a regra final da agência de segurança viária dos EUA. A redução é de 1 − 250 ÷ 355 ≈ 30%. Os valores em vigor estão na norma federal FMVSS 121.
Nos trens: a pressão que solta o freio
O freio a ar nasceu na ferrovia. A primeira patente de George Westinghouse é de 13 de abril de 1869, segundo o histórico registrado pela Suprema Corte dos EUA num processo de 1898. Nesse primeiro sistema, o ar ia da locomotiva direto para os freios de cada vagão. Se uma mangueira se rompesse, os freios se soltavam.
A solução veio em duas patentes seguintes: a de 1872 pôs um reservatório auxiliar embaixo de cada vagão, e a de 1873 trouxe a válvula tríplice. A lógica se inverteu. A tubulação que percorre o trem fica sempre carregada, e é a queda de pressão nela que manda cada vagão usar o ar do próprio reservatório para frear. O maquinista freia deixando o ar escapar. E, na descrição da Corte, se o trem se partir em dois ou um vagão se soltar, o mesmo escape de ar acontece, e os freios aplicam sozinhos.
Uma lei federal americana de 1893 exigiu, com prazo até 1898, freios comandados da locomotiva, em quantidade suficiente para o maquinista controlar a velocidade sem depender dos guarda-freios manuais. Hoje a regra americana fixa em 90 psi (6,2 bar) a pressão mínima da tubulação em serviço de linha, segundo o regulamento federal de freios ferroviários. Os freios que agem direto no trilho, usados como complemento, estão em como funcionam os freios magnéticos em trens.
O que a regra brasileira exige
No Brasil, a Resolução 380/2011 do Contran tornou obrigatório o sistema antitravamento (ABS) em caminhões e ônibus novos, em 40% da produção a partir de 2013 e em 100% a partir de 2014. Nos reboques e semirreboques, a exigência começou em 2013 para as combinações de 57 t ou mais e em 2014 para os demais. O ABS alivia a pressão do ar na roda que está para travar.
O controle eletrônico de estabilidade veio depois: a Resolução 954/2022 o exige a partir de 1º de janeiro de 2023 para os projetos de veículos pesados mais recentes e de 1º de janeiro de 2025 para os mais antigos. Não conferimos alterações posteriores a essas duas resoluções.
Perguntas frequentes
Como funciona o freio a ar de um caminhão?
Um compressor enche reservatórios com ar a cerca de 7 a 8,6 bar. Ao pisar no pedal, o motorista libera ar para as câmaras das rodas, que empurram o mecanismo do freio.
O que acontece se o ar do freio acabar?
Os freios de mola aplicam sozinhos quando a pressão cai para a faixa de 1,4 a 3,1 bar. Antes disso, um aviso no painel alerta o motorista.
Por que o caminhão faz barulho de ar ao parar?
É o ar saindo das câmaras quando o freio é solto, ou o secador de ar descarregando a umidade quando o compressor para de bombear.
Freio a ar é mais forte que freio hidráulico?
Ele consegue forças maiores com peças simples, mas responde com atraso de cerca de 0,4 segundo, porque o ar é compressível.
Quem inventou o freio a ar?
George Westinghouse, com a primeira patente em 1869 e a versão automática, com reservatório em cada vagão e válvula tríplice, em 1872 e 1873.
O sistema de freio a ar troca rapidez por força e por segurança: responde um pouco depois do pedal, mas freia veículos de dezenas de toneladas e aplica sozinho quando a pressão some. O princípio é o mesmo desde Westinghouse. Outra forma de frear, que devolve a energia em vez de dissipá-la, está em como os carros elétricos reciclam energia ao frear, e há mais mecanismos explicados em como funciona a engenharia.
