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Autores principais
Testes e Validação de um Modelo de Disco de Freio para um Carro Fórmula SAE
Equipe de Corrida UniNa Corse
University of Naples
April 1, 2026
Para construir o seu primeiro carro Formula SAE totalmente elétrico, a Nura, a equipa UniNa Corse da Universidade de Nápoles, analisou em detalhe o comportamento térmico do sistema de discos de travão. Utilizaram sensores avançados e ferramentas de aquisição de dados Dewesoft para comparar modelos de simulação com dados reais de pista. Isto ajudou a aperfeiçoar o projeto para obter melhor desempenho, fiabilidade e segurança na pista de corrida.
Na temporada 2025/2026, a equipe UniNa Corse Racing Team, da Universidade Federico II de Nápoles, enfrentou o ambicioso desafio de projetar, construir e competir com um carro totalmente elétrico, levando ao limite a inovação e a engenharia.
Para cumprir esse objetivo, a equipe realizou diversos testes em pista para validar o modelo térmico dos discos de freio. Isso permitiu desenvolver um projeto mais preciso e fundamentado para o novo carro elétrico, “Nura”.
Membros da equipe de engenharia:
Angelo Cuccurullo, engenheiro mecânico e de performance
Davide Nicolini, engenheiro de automação, divisão de eletrônica
Giuseppe Greco, engenheiro mecânico, divisão dinâmica
Andrea Pezzulo, engenheiro aeroespacial, divisão aerodinâmica
Formula Student e UniNa Corse
A Formula SAE é uma competição universitária internacional de engenharia, inicialmente proposta pela Society of Automotive Engineers, SAE. A competição envolve o projeto e a construção de um carro de corrida, que é posteriormente avaliado por um painel com base na qualidade do projeto e na eficiência de engenharia.
A equipe UniNa Corse Racing Team participa dessa competição desde 2015 com um veículo de combustão interna. Desde 2021, a equipe também implementa capacidades de condução autônoma em seus veículos, sendo o mais recente denominado Gaiola. Na atual temporada de 2024, a equipe está projetando seu primeiro veículo elétrico, que será utilizado para competir na temporada de 2025.
Para o novo carro elétrico, o design dos discos de freio será completamente reformulado. Para realizar essa mudança com segurança e reduzir riscos estruturais e de confiabilidade, foi essencial compreender o processo de troca térmica.
Uma visão geral das especificações dos dois carros é apresentada na Tabela 1.
| Especificação | Valor numérico Gaiola | Valor numérico Nura |
|---|---|---|
| Massa (carro + piloto) | 330 kg | 280 kg |
| Massa suspensa | 210 kg | 150 kg |
| Massa não suspensa | 50 kg | 60 kg |
| Distância entre eixos | 1565 mm | 1535 mm |
| Bitola dianteira | 1200 mm | 1200 mm |
| Bitola traseira | 1190 mm | 1180 mm |
| Roda | 13’’ | 10’’ |
| Sistema de suspensão | Pull-rod | Push-rod |
O desafio
O disco de freio é um componente fundamental no projeto de um carro Formula Student. Ele afeta diretamente o desempenho geral do veículo. Um projeto bem executado permite compreender seus limites e capacidades, facilitando a identificação de áreas de melhoria.
O disco de freio é um componente altamente complexo, não apenas do ponto de vista dinâmico, mas também estrutural e termodinâmico. Após definir suas dimensões para garantir o funcionamento adequado e uma frenagem eficiente, o componente também deve suportar as cargas operacionais sem deformações, pois qualquer deformação pode reduzir o desempenho.
Além da resistência mecânica, o disco de freio deve suportar variações bruscas de temperatura e elevadas tensões térmicas. Devido ao atrito intenso, ele aquece significativamente e, em altas temperaturas, suas propriedades físicas se alteram, afetando o desempenho geral.
Para lidar com esses efeitos, realizamos análises termo-fluidodinâmicas detalhadas. Monitoramos as tendências de temperatura e, principalmente, otimizamos a geometria do disco de freio para melhorar a dissipação de calor.
Em colaboração com a Radio6ense e a Dewesoft, a equipe conduziu uma campanha de medições para registrar as temperaturas dos discos de freio do veículo sob diferentes condições dinâmicas.
Todas as análises foram realizadas no nosso carro anterior, “Gaiola”. Como apenas a geometria do veículo muda, a validação do modelo permanece válida. Esse método permitiu utilizar um veículo já existente para aprimorar o projeto do modelo seguinte.
Os sistemas de frenagem
A Tabela 2 destaca as principais diferenças entre os dois sistemas de frenagem.
| Especificação | Valor numérico Gaiola | Valor numérico Nura |
|---|---|---|
| Raio efetivo dos discos de freio dianteiros | 97 mm | 83 mm |
| Raio efetivo dos discos de freio traseiros | 97 mm | 83 mm |
| Área total dos pistões da pinça de freio dianteira | 3617.28 mm2 | 1808.64 mm2 |
| Área total dos pistões da pinça de freio traseira | 3617.28 mm2 | 1808.64 mm2 |
| Diâmetro do cilindro mestre dianteiro | 15,88 mm | 15.88 mm |
| Diâmetro do cilindro mestre traseiro | 19.05 mm | 16.88 mm |
| Pressão hidráulica dianteira (desaceleração de 1 g) | 32.5 bar | 74.0 bar |
| Pressão hidráulica traseira (desaceleração de 1 g) | 24.0 bar | 35.0 bar |
No entanto, as análises realizadas não correspondem totalmente à realidade, pois atualmente não dispomos de um meio de validação comparativa. Essa situação exige uma campanha de testes dedicada, que nos permita coletar os dados necessários para comparar as análises com resultados reais. Ao garantir um modelo e uma configuração de análise bem calibrados, podemos otimizar o processo de projeto para máxima eficiência.
Para isso, seguimos o seguinte plano de trabalho:
O desafio está em garantir que os sensores utilizados sejam precisos e confiáveis, capazes de fornecer dados exatos para análise e interpretação. Além disso, um sistema de aquisição bem estruturado é essencial para monitorar eficazmente todos os parâmetros do carro, permitindo a reprodução fiel das simulações.
Com a Dewesoft, escolhemos a melhor configuração para a aplicação considerada.
Sensores e instrumentos de medição
A Tabela 3 apresenta a configuração dos sensores.
| Valor de medição | Sensor | Condicionamento / Aquisição |
|---|---|---|
| Brake Disc Temperature | Termopar | RFID |
| Temperatura da superfície do disco de freio | Infravermelho | Entrada analógica de 5 V |
| Deslocamento do amortecedor | Potenciômetro linear | Entrada analógica de 5 V |
| Velocidade da roda | Sensores de efeito Hall | Entrada de contador |
| Ângulo de direção | Potenciômetro linear | Entrada analógica de 5 V |
| Pressão de freio | Sensor de pressão | Entrada de tensão |
| Aceleração do veículo | IMU | Barramento CAN |
| Unidade de Controle do Motor (ECU) | MaxxECU Race H2O | Barramento CAN |
A Dewesoft fornece o sistema de aquisição de dados de temperatura dos discos de freio por meio do kit SixSense. A arquitetura consiste em uma unidade principal de leitura RFID UHF RAIN conectada a duas antenas de interrogação, localizadas, respectivamente, nas seções dianteira e traseira do carro. Essas antenas atuam como alimentadores, utilizando emissão eletromagnética, para os sensores de temperatura localizados na superfície dos discos de freio e nas áreas circundantes, como o suporte do cubo e a pinça de freio:
Na verdade, são termopares passivos sem fio, que fornecem alimentação e transmissão de dados, sendo uma solução ideal, pois elimina a necessidade de fiação dos sensores, garantindo elevada facilidade de instalação, manutenção e precisão.
Além do pacote Radio6ense, foi adicionado um sensor infravermelho de disco de freio Aviorace, modelo IR1000. Este sensor mede a temperatura da superfície do disco de freio, e foi posicionado de modo que o feixe cubra toda a superfície que entra em contato com a pastilha.
Por fim, a Dewesoft forneceu o módulo de medição inercial Navion-i2 para aquisição de aceleração e posição, bem como um computador embarcado.
Os sensores restantes são gerenciados pelo painel já instalado no carro. Seus sinais percorrem uma linha CAN já existente, que transmite os dados para o computador embarcado, onde são processados para análise posterior.
O modelo de quarto de veículo
Realizamos a análise nas rodas dianteiras, especificamente na roda dianteira esquerda, pois esta está sujeita ao maior estresse térmico devido à elevada força de frenagem exercida pelas pastilhas de freio. Por esse motivo, desenvolvemos um modelo simplificado de um quarto de veículo, projetado para focar na termofluidodinâmica do disco de freio.
O pré-processamento foi realizado no ANSA, incluindo a definição de um volume de controle adequado para o fluido circundante, a fim de evitar condições não físicas nas fronteiras e garantir a correta evolução do escoamento. As camadas limite foram configuradas de acordo com as propriedades do fluxo e o modelo de turbulência, sendo selecionado o k-omega SST para proporcionar uma avaliação detalhada dos fluxos e gradientes próximos às paredes.
Após a geração de uma malha de alta qualidade, realizamos simulações de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) utilizando o Ansys Fluent. Com base em dados obtidos em testes anteriores, definimos cenários de frenagem plausíveis. Especificamente, a partir da desaceleração correspondente à manobra de frenagem analisada, a energia cinética dissipada na forma de calor, 𝑄, pelo disco de freio foi calculada para estudar o aumento de temperatura resultante, conforme expresso pelo sistema a seguir, assumindo uma abordagem de parâmetros concentrados.
Assumimos que o disco de freio dissipa 97% do calor total:
mv = massa do veículo;
m =massa do disco;
v = velocidade do veículo;
cp = capacidade térmica específica do disco.
Após determinar a temperatura atingida pelo disco, analisamos o processo de dissipação de calor por meio de CFD para obter uma evolução realista do coeficiente de transferência de calor convectivo em diferentes velocidades e condições de escoamento. Os valores obtidos foram então interpolados e utilizados para realizar análises térmicas transientes no Ansys, avaliando a evolução térmica do disco sob condições operacionais realistas, como os eventos dinâmicos que o veículo enfrenta em competições.
Os testes
A campanha de testes ocorreu no “Circuito Internazionale Del Volturno”, uma pista caracterizada por longas retas, curvas de raio constante e trechos mistos. Essas características variadas a tornaram um ambiente ideal para avaliar os discos de freio sob diferentes condições.
Realizamos a sessão de testes em um único dia. Selecionamos cuidadosamente as manobras durante a fase de preparação para obter uma aquisição o mais completa possível. Elas reproduziram tanto as condições das simulações de termofluidodinâmica quanto os eventos dinâmicos da competição.
Durante a sessão, realizamos as seguintes manobras:
Frenagem pura, de 70 a 40 e de 90 a 20 km/h, com 6 s a velocidade constante
Autocross, voltas completas em desempenho máximo
Endurance, 22 km em desempenho máximo
Após concluir a fase de coleta de dados, examinamos inicialmente a qualidade das aquisições. Os resultados foram altamente satisfatórios, e a alta taxa de amostragem alcançada com o hardware da Dewesoft permitiu a realização de operações de filtragem de dados sem comprometer a precisão.
Análise de dados e resultados
Em relação à instrumentação Radio6ense, os dados adquiridos correspondem a uma volta de autocross, durante a qual posicionamos três sensores nas seguintes áreas: banjo, pinça de freio e disco de freio.
É importante observar que a evolução da temperatura varia, sendo influenciada tanto pela quantidade de energia trocada em diferentes zonas quanto pelo material analisado. Esses fatores contribuem para comportamentos térmicos distintos entre os componentes monitorados.
O gráfico apresentado refere-se a uma execução de autocross. Ele destaca a evolução da temperatura durante a prova e a qualidade das aquisições de cada sensor.
Durante a fase de validação, comparamos as manobras realizadas na pista com as simulações. Apesar de algumas discrepâncias devido às aproximações do modelo, a semelhança entre as tendências e os valores de pico permanece significativa.
In conclusion, we have successfully identified the main shortcomings of the current models, laying the groundwork for future improvements. This insight will enable refinements that enhance accuracy and bring the models closer to real-world conditions, ultimately contributing to a more effective design of the brake system.
Conclusão e agradecimentos
A validação das ferramentas de cálculo foi essencial para compreender os limites e a confiabilidade do modelo matemático, permitindo previsões precisas do acúmulo de calor que afeta o disco de freio.
Agradecemos sinceramente a toda a equipe da Dewesoft Italia pelo apoio ao longo deste projeto. Um reconhecimento especial vai para Riccardo Petrei e Davide Carniani por tornarem possível a campanha de testes e por fornecerem assistência técnica constante durante as fases de instalação e testes em pista.
Agradecimentos especiais também à Radio6sense, em particular a Alessio Mostaccio, por nos fornecer equipamentos de medição de temperatura de última geração e pelo suporte prestado. Por fim, gostaríamos de agradecer a toda a equipe da UniNa Corse.