ES2330390T3 - Frenos de discos refrigerados por liquido. - Google Patents

Abstract

Disco de freno (9) refrigerado por líquido, caracterizado por: una primera parte (20) que incluye una superficie exterior adaptada para entrar en contacto con material de fricción a efectos de frenar un elemento con el que gira dicho material o disco, y que tiene una conductancia térmica y una capacidad calorífica predeterminadas para la absorción del calor generado durante el frenado; una segunda parte (14) que define una cámara (17) para la circulación de líquido refrigerante; y una capa aislante térmica (22) entre dichas primera (20) y segunda (14) partes, para controlar la velocidad de transferencia de calor de dicha primera parte a dicho líquido refrigerante.

Description

Frenos de disco refrigerados por líquido.

La presente invención se refiere a frenos de disco, y de manera más específica a frenos de disco de fricción en seco, refrigerados por líquido internamente, y a un nuevo tipo de disco refrigerado por líquido para los mismos. Los frenos que incorporan discos según la invención pueden resultar útiles para frenar ejes, árboles, ruedas o similares en varias aplicaciones para vehículos u otra maquinaria, incluyendo dinamómetros, aunque especialmente para vehículos pesados, tales como vehículos militares blindados o grandes vehículos de transporte de mercancías. Una aplicación comprende los frenos de una configuración de transmisión para un tanque de combate, buldózer u otro vehículo de dirección derrapante, tal como se describe en el documento WO-02/083483 ó WO-2006/021745.

Los sistemas de frenado utilizados más frecuentemente en vehículos son los frenos de disco de fricción en seco, refrigerados por aire externamente. Este tipo de freno se basa en un disco de freno suficientemente grande que permite absorber la energía necesaria para realizar un ciclo de frenado con un aumento de temperatura aceptable y obtener una superficie suficiente para disipar hacia el aire ambiente el calor generado por el frenado en un periodo de tiempo razonable. En la mayor parte de vehículos de carretera, en los que los discos están montados en el centro de las ruedas, existe suficiente espacio y circulación de aire para que el freno funcione de manera satisfactoria. No obstante, si el espacio disponible para el freno es pequeño y la corriente de aire es insuficiente para su refrigeración, por ejemplo, cuando el freno se monta en el interior del vehículo, es posible que un freno refrigerado por aire externamente no permita obtener el rendimiento deseado. La principal limitación en el rendimiento de un freno de este tipo es la velocidad de refrigeración que es posible conseguir. El aire es un medio refrigerante relativamente pobre, debido a su baja densidad y a la reducida velocidad de transferencia de calor de la superficie del disco al aire. Esta limitación en la refrigeración puede ser superada mediante la utilización de refrigeración líquida.

Por lo tanto, algunos vehículos utilizan frenos de fricción húmedos. Este tipo de freno tiene un disco de freno y material de fricción que están montados normalmente en el interior del cárter de una caja de engranajes o de un eje, al que se suministra aceite refrigerante mediante una bomba de circulación, y se utiliza normalmente en vehículos fuera de carretera, tales como camiones de volquete. El freno húmedo presenta la ventaja de que no se ve afectado por la contaminación procedente del entorno exterior, ya que está contenido en un cárter de transmisión. No obstante, en una aplicación de alta velocidad, el freno húmedo presenta el inconveniente potencial de que existe una pérdida de potencia elevada cuando no se frena, debido al rozamiento viscoso del aceite entre el disco o discos y el material de fricción. Esto puede evitarse suministrando aceite refrigerante solamente cuando el freno funciona, pero la complejidad del sistema aumenta. Otro inconveniente consiste en que, en un vehículo de alto rendimiento, la temperatura de la superficie del disco de freno puede exceder la temperatura de trabajo del aceite utilizado, provocando la contaminación del aceite. Asimismo, cualquier desgaste del freno contaminará el aceite, que puede ser necesario también para lubricar los engranajes y/o cojinetes de la transmisión.

Se conoce otro tipo de freno, que comprende un disco refrigerado por líquido internamente sobre el que actúa un material de fricción seco. En el documento US-5358077 se muestra un ejemplo de un disco giratorio y unas mordazas asociadas equipadas con material de fricción en un dispositivo de freno de disco convencional, pero en el que el agua procedente del sistema de refrigeración del motor se hace circular en el interior del disco. Una pluralidad de tubos radiales transporta el agua desde una entrada en el centro del disco hasta una pluralidad de espacios de refrigeración situados en el interior del disco, y el líquido y/o vapor calentado sale por una salida en el centro del disco. El disco refrigerado por agua consiste en sí mismo en una única pieza metálica moldeada, preferiblemente de aluminio reforzado con partículas de carburo de silicio. No obstante, debido a que el disco es la parte giratoria del dispositivo, el mismo necesita una articulación giratoria con dos juntas de fricción para transportar el líquido refrigerante hacia y desde el disco, constituyendo una potencial fuente de fugas.

En el documento US-6491139 se muestra otro ejemplo, en el que están presentes dos discos no giratorios refrigerados por líquido internamente, uno en cada lado de un disco giratorio cubierto por material de fricción que está soportado en el eje a frenar, y unas mordazas que presionan todo el conjunto cuando se acciona el freno. Con respecto al dispositivo del documento US-5358077, este sistema presenta la ventaja de que los discos refrigerados son esencialmente estacionarios, simplificando de este modo la estanqueidad de las conexiones de los tubos de entrada y salida de refrigerante.

Ya sean giratorias o estacionarias, el objetivo de las estructuras de disco refrigerado por líquido de dichos frenos es transferir el calor generado por la fricción durante las fases de frenado hacia el agua u otro líquido que circula a través de dichos discos, y que se lo lleva y lo disipa a través de un radiador o similar. A este respecto, los discos de la técnica anterior comprenden normalmente una pared de metal monolítica que entra en contacto por su superficie exterior con un material de fricción complementario cuando se acciona el freno y que está en contacto con el refrigerante en circulación por su superficie interior. No obstante, se ha comprobado que la combinación de propiedades térmicas que mejor se adapta al rendimiento de un disco de freno refrigerado por líquido, especialmente en el contexto de vehículos pesados, en el que pueden producirse picos de potencia de frenado de varios megavatios, no es fácilmente alcanzable mediante los discos de la técnica anterior.

Es decir, es importante que la parte de la superficie exterior de la estructura del disco, que entra en contacto con el material de fricción durante el frenado, tenga una conductividad térmica suficiente para evitar temperaturas superficiales excesivas. Al mismo tiempo, una velocidad de transferencia de calor demasiado rápida del disco al líquido refrigerante puede causar la ebullición de dicho líquido en el interior del disco, provocando una presurización excesiva del sistema y una posible pérdida de refrigerante.

Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto, un aspecto de la invención consiste en un disco de freno que comprende: una primera parte que incluye una superficie exterior adaptada para entrar en contacto con material de fricción a efectos de frenar un elemento con el que gira dicho material o disco, y que tiene una conductancia térmica y una capacidad calorífica predeterminadas para la absorción del calor generado durante el frenado; una segunda parte que define una cámara para la circulación de líquido refrigerante; y una capa aislante térmica entre dichas primera y segunda partes, para controlar la velocidad de transferencia de calor de dicha primera parte a dicho líquido refrigerante.

Durante la utilización de un disco según la invención, la energía producida por fases de frenado individuales puede ser almacenada como calor en la primera parte (exterior) del disco en un periodo de tiempo relativamente corto (por ejemplo, 5 segundos), y luego puede ser disipada como calor hacia el líquido refrigerante en un periodo de tiempo relativamente más largo (por ejemplo, 30 segundos) a una velocidad que depende de la conductancia de dicha capa aislante térmica. De esta manera, el riesgo de ebullición del líquido en el interior del disco disminuye, mientras que solamente es necesario un caudal moderado de líquido a través de dicho disco, resultando suficiente la capacidad térmica de la parte exterior para absorber el calor de una fase de frenado sin un aumento de temperatura excesivo.

En una realización, la primera parte del disco está hecha a partir de un material seleccionado para entrar en contacto superficial con material de fricción de frenado disponible y con una conductividad térmica, capacidad calorífica y punto de fusión suficientemente altos para funcionar correctamente (tal como fundición de hierro, acero o un compuesto de matriz metálica de aluminio), y la segunda parte del disco, que define una cámara para la circulación del líquido refrigerante, está hecha a partir de un material seleccionado para una conducción térmica eficaz y para ser resistente a la corrosión por parte del refrigerante (tal como aluminio o acero inoxidable), y dichas partes están separadas por una capa fina de aislante térmico (por ejemplo, un disco de cerámica o simplemente un intersticio de aire) para moderar la velocidad de transferencia de calor de la primera a la segunda parte.

El líquido que circula a través de un disco según la invención puede ser agua o aceite, por ejemplo. El agua es el mejor refrigerante, pero el aceite puede utilizarse para temperaturas de funcionamiento más elevadas. Para funcionar a temperaturas ambientes bajas, el agua puede utilizarse con una proporción de etilenglicol, propilenglicol u otro anticongelante convencional, o incluso es posible utilizar glicol puro en temperaturas muy bajas.

En otro aspecto, la invención consiste en un dispositivo de freno que comprende: al menos un disco de freno refrigerado por líquido como el descrito anteriormente; uno o más discos de fricción que tienen al menos una superficie de fricción para entrar en contacto con dicha superficie exterior o una superficie exterior respectiva de dicho disco ó discos de freno; y medios para forzar el contacto entre dicha superficie o superficies de fricción o una superficie o superficies de fricción respectivas y dicha superficie o superficies exteriores o una superficie o superficies exteriores respectivas.

Una realización preferida de un dispositivo de este tipo comprende un disco de freno no giratorio refrigerado por líquido que tiene superficies exteriores respectivas dispuestas en lados opuestos de su cámara; y dos discos de fricción que giran con un elemento a frenar, estando dispuesto uno de dichos discos de fricción en cada lado de dicho disco no giratorio.

Para evitar confusiones, tal como se utiliza en la presente memoria, y de manera específica en las reivindicaciones adjuntas, el término "disco" no implica necesariamente un cuerpo de revolución completo, sino que, cuando el contexto lo admita, también puede incluir una estructura en forma de uno o más sectores.

Este y otros aspectos de la presente invención serán descritos a continuación de manera más detallada, a título de ejemplo, haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

la figura 1 es una ilustración esquemática de una configuración de transmisión para un vehículo de dirección derrapante, en la que es posible utilizar dispositivos de freno según la invención;

la figura 2 es una vista representativa de una realización de un dispositivo de freno según la invención;

la figura 3 es una vista representativa de una realización de un disco de freno refrigerado por líquido según la invención, como el utilizado en el dispositivo de la figura 2;

la figura 4 es una vista en alzado lateral del disco de freno de la figura 3;

la figura 5 es una sección según la línea V-V de la figura 4; y

las figuras 6 y 7 son curvas de temperatura simuladas durante el frenado de dos ejemplos de un disco de este tipo.

Haciendo referencia a la figura 1, se muestra esquemáticamente una forma de configuración de transmisión en la que los dispositivos y discos de freno según la presente invención pueden resultar especialmente útiles, y que consiste en un dispositivo de transmisión para un vehículo de dirección derrapante según el documento WO-02/083483 ó WO-2006/021745. No obstante, se entenderá que la presente invención resulta aplicable de manera más general al frenado de ejes, árboles o similares en cualquier circunstancia en la que resulte deseable refrigeración líquida interna.

En la figura 1, el dispositivo de transmisión transversal comprende dos motores de propulsión eléctricos 1a y 1b con unas unidades de cambio de marchas 2a y 2b y unos ejes de transmisión giratorios 3a y 3b asociados. Exteriormente con respecto a dichas unidades, la transmisión incluye en cada caso un freno 4a, 4b y una rueda dentada de reducción final 5a, 5b, todos alojados en la carrocería del vehículo, asociados a unas ruedas dentadas de transmisión y de guía 6a y 6b situadas en los laterales del vehículo. Interiormente, los ejes de transmisión 3a y 3b están acoplados a un diferencial controlado 7, accionado por un motor de dirección eléctrico 8 para controlar la dirección del vehículo, tal como se describe en los documentos WO-02/083483 y WO-2006/021745.

La figura 2 muestra una realización de un dispositivo según la presente invención para el frenado de un eje giratorio (no mostrado en la figura). Por lo tanto, en el contexto de la figura 1, un dispositivo de este tipo se utilizaría en cada lado de la transmisión, como el freno 4a, 4b que actúa sobre el eje de transmisión 3a, 3b respectivo. El mismo comprende un componente de disco de freno central 9, que se describirá de manera más detallada a continuación, que rodea el eje a frenar con un espacio libre y que es esencialmente estacionario (con respecto al vehículo) durante su utilización, estando montado en unos pernos fijos (no mostrados) que se extienden a través de unos orificios 10 en unas alas externas 11 del disco, con una ligera flotación axial. En cada lado del disco estacionario se encuentran un par de discos giratorios, fijados cada uno de ellos al eje para girar con el mismo y soportar unos conjuntos respectivos de pastillas 12 de material de fricción convencional adyacentes a las caras mayores opuestas del disco 9. Tal como puede observarse, las pastillas 12 tienen forma de sectores separados, pero alternativamente podrían tener forma de discos completos. Cuando se acciona el freno, un dispositivo de accionamiento como el descrito en la solicitud de patente en trámite del Reino Unido número 0620577.7, que incluye un disco de freno de control 13, pero cuyos detalles no se muestran en la figura 2, fuerza los discos que soportan las pastillas 12 a desplazarse el uno hacia el otro a lo largo del eje, presionando de este modo el disco fijo 9 entre las mismas y frenando el eje gracias a la fricción provocada por el contacto entre las pastillas 12 y las superficies enfrentadas del disco 9.

Haciendo referencia en este caso de manera más específica a las figuras 3 a 5, el disco 9 comprende una placa de refrigeración anular central 14 compuesta por dos discos de aluminio 15 y 16 (figura 5) que definen entre los mismos una cámara interna 17 para la circulación de refrigerante líquido desde una entrada 18 hasta una salida 19 (la entrada y la salida solamente se muestran en la figura 3). En la realización mostrada, la entrada y la salida están situadas de manera diametralmente opuesta a través del disco, y el refrigerante circula entre las mismas en dos trayectorias separadas, a través de unas ramificaciones semicircunferenciales respectivas de la cámara 17. De manera alternativa, puede existir una circulación unidireccional del refrigerante a través de una única cámara circunferencial, con la entrada y la salida situadas de manera adyacente entre sí en sus extremos respectivos. Durante su utilización, y tal como muestra de manera esquemática la figura 3, el refrigerante se hace circular mediante una bomba a través de un circuito cerrado que incluye un radiador u otro intercambiador de calor, a través del cual se disipa el calor absorbido por el refrigerante procedente del disco 9.

En cada lado de la placa 14, el disco 9 comprende un conjunto de ocho sectores 20 de fundición de hierro, que definen colectivamente las superficies exteriores opuestas del disco que entran en contacto con las pastillas de fricción 12. Cada sector 20 está montado en cuatro pernos 21 que sobresalen desde el disco 15 ó 16 respectivo, con un espacio libre entre cada perno y cada sector y entre cada sector y los sectores adyacentes, a efectos de permitir la expansión térmica de dichos sectores sin la aparición de fracturas. Unas juntas asociadas, o simplemente la rugosidad superficial de los componentes, conforman un pequeño intersticio de aire 22 (figura 5) de aproximadamente 0,1 mm o inferior entre cada conjunto de sectores 20 y la placa 14.

El diseño del disco es tal que permite que la energía producida por una fase de frenado individual sea almacenada en primer lugar como un aumento de temperatura de los sectores 20 de fundición de hierro y a continuación sea eliminada a lo largo de un periodo de tiempo más prolongado por transferencia constante a través de la placa 14 al refrigerante líquido. La velocidad de transferencia de calor de los sectores 20 a la placa 14 y de la misma al refrigerante está determinada efectivamente por los intersticios de aire 22 intermedios, cuyas conductancias térmicas son inferiores a las de los componentes metálicos que separan. De manera específica, el grosor de los intersticios 22 se establece para asegurar que se evita la ebullición del líquido en el interior de la cámara 17 (aunque es aceptable cierta ebullición del líquido en las superficies de las paredes de la cámara, con una condensación de las burbujas, que se integran nuevamente al flujo al salir del disco, y puede facilitar la obtención de una velocidad deseable de refrigeración sin que se produzca un caudal excesivo de refrigerante).

Las figuras 6 y 7 son curvas de temperatura que se derivan de la simulación de los efectos de una acción de frenado máximo para dos ejemplos típicos de un disco de freno como el descrito anteriormente, haciendo referencia a las figuras 3 a 5. En cada caso, las mismas muestran los perfiles de temperatura a lo largo de un periodo de tiempo de un minuto desde el accionamiento del freno, en varias posiciones del disco, es decir, en las superficies exterior e interior de los sectores de fundición de hierro 20, respectivamente, en las superficies exterior e interior de la placa de refrigeración de aluminio 14, respectivamente, y la temperatura global del refrigerante en la salida 19 de la cámara 17. La temperatura de ebullición del refrigerante (que se considera una mezcla de agua/propilenglicol) a la presión existente en el interior de la cámara 17 se indica mediante la línea de puntos a 150ºC. Las condiciones simuladas difieren entre las dos figuras solamente en el grado efectivo de aislamiento térmico que se obtiene mediante los grosores de los intersticios de aire 22 entre los sectores 20 y la placa de refrigeración 14, siendo el mismo mayor en la figura 7 (grosor del intersticio de 0,1 mm) que en la figura 6 (grosor del intersticio de 0,02 mm).

A partir de dichas figuras, puede observarse claramente que, en cada caso, los sectores de fundición de hierro 20 experimentan un rápido aumento de temperatura (hasta un máximo aproximado de 700ºC en la superficie exterior) cuando se acciona el freno, seguido por una disminución más gradual a medida que el calor se disipa a través de la placa de refrigeración 14 al refrigerante líquido en circulación, resultando la velocidad de refrigeración del disco en su conjunto claramente más lenta en la figura 7 que en la figura 6. En la figura 7 también puede observarse que la temperatura en la superficie interior de la placa de refrigeración 14 permanece debajo de la temperatura de ebullición del refrigerante en todo momento. En la figura 6, la temperatura de la superficie interior de la placa de refrigeración aumenta por encima de la temperatura de ebullición del refrigerante durante un periodo T, lo que significa que se producirá cierta ebullición en dicha superficie, aunque también puede observarse que la temperatura global del refrigerante en la salida permanece por debajo de la temperatura de ebullición.

Aunque anteriormente se ha descrito un dispositivo de freno con un disco estacionario refrigerado por líquido y unos discos de fricción giratorios, también está incluido en el ámbito de la invención que el disco o discos de fricción sean estacionarios y que el disco refrigerado por líquido gire. Además, aunque la realización mostrada tiene discos de fricción en ambos lados del disco refrigerado por líquido, también es posible una realización que tenga solamente un disco de fricción y un disco refrigerado por líquido. Asimismo, pueden existir realizaciones con dos o más discos refrigerados por líquido que se alternan con discos de fricción y un dispositivo de accionamiento para presionar todo el conjunto cuando el freno se activa.

Claims (8)

1. Disco de freno (9) refrigerado por líquido, caracterizado por: una primera parte (20) que incluye una superficie exterior adaptada para entrar en contacto con material de fricción a efectos de frenar un elemento con el que gira dicho material o disco, y que tiene una conductancia térmica y una capacidad calorífica predeterminadas para la absorción del calor generado durante el frenado; una segunda parte (14) que define una cámara (17) para la circulación de líquido refrigerante; y una capa aislante térmica (22) entre dichas primera (20) y segunda (14) partes, para controlar la velocidad de transferencia de calor de dicha primera parte a dicho líquido refrigerante.

2. Disco de freno según la reivindicación 1, en el que dicha capa aislante térmica (22) es un intersticio de aire.

3. Disco de freno según la reivindicación 1 ó 2, en el que dicha primera parte (20) es de fundición de hierro, acero o un compuesto de matriz metálica de aluminio.

4. Disco de freno según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha segunda parte (14) es de aluminio o acero inoxidable.

5. Disco de freno según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha primera parte (20) está compuesta por una pluralidad de sectores, montados cada uno de ellos con libertad para una expansión térmica independiente.

6. Disco de freno según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende dichas primera parte (20) y capa aislante (22) respectivas dispuestas en lados opuestos de dicha segunda parte (14).

7. Dispositivo de freno, que comprende: al menos un disco de freno (9) refrigerado por líquido según cualquiera de las reivindicaciones anteriores; uno o más discos de fricción que tienen al menos una superficie de fricción (12) para entrar en contacto con dicha superficie exterior o una superficie exterior respectiva de dicho disco ó discos de freno; y medios para forzar el contacto entre dicha superficie o superficies de fricción o una superficie o superficies de fricción respectivas y dicha superficie o superficies exteriores o una superficie o superficies exteriores respectivas.

8. Dispositivo de freno según la reivindicación 7, que comprende un disco de freno (9) no giratorio refrigerado por líquido que tiene superficies exteriores respectivas dispuestas en lados opuestos de su cámara; y dos discos de fricción que giran con un elemento a frenar, estando dispuesto uno de dichos discos de fricción en cada lado de dicho disco no giratorio.