ITBS20070184A1 - Disco per freno a disco autoventilante - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un disco per freno a disco autoventilante, in particolare del tipo a doppia fascia frenante, una delle quali solidale ad un mozzo o campana centrale.

Nella tecnica è noto l'impiego di dischi per freni a disco autoventilanti per veicoli a motore, ma non solo, che permettono di conservare pressoché immutata la capacità frenante dell'impianto anche dopo un prolungato ed intensivo utilizzo. Tramite il loro impiego, infatti, si realizza un migliore scambio termico con l'aria, che transita ad esempio tra la coppia di fasce frenanti, in maniera tale che il calore derivante dall'attrito della frenata venga più efficacemente sottratto da tali fasce, evitandone il surriscaldamento.

Tali dispositivi, durante la rotazione della ruota, aspirano aria dal centro del disco e la convogliano in condotti che sfociano sull'estremità radialmente più esterna rispetto all'asse di rotazione della ruota. Il transito dell'aria attraverso tali condotti consente un'efficace sottrazione del calore dalle fasce frenanti.

È perciò chiaro come la morfologia dei suddetti condotti sia una variabile critica nella progettazione di questi dispositivi, anche perché essa influenza la resistenza delle fasce frenanti agli stress meccanici e alle dilatazioni termiche.

Le morfologie dei condotti note nella tecnica sono sostanzialmente di tre tipi: radiale, curvilineo oppure a pioli.

I dischi così come realizzati attualmente non sono comunque esenti da problemi che ne limitano la performance, la sicurezza ed il comfort.

In particolare, le sopra menzionate forme di condotto non consentono un'ottimale rimozione del calore, cosicché si può verificare una parziale evaporazione del liquido dei freni (fenomeno noto con il termine "vapour look") ed un conseguente pericoloso allungamento della corsa del pedale del freno.

Inoltre, le morfologie note non impediscono una significativa deformazione delle piste frenanti dovuta alle dilatazioni termiche delle pareti dei condotti, con formazione di cricche sui dischi, vibrazioni e rumorosità in frenata, oltre alla perdita in efficienza dell'impianto.

Spesso si verifica inoltre che la pista frenante non solidale al mozzo si riscaldi maggiormente rispetto alla pista frenante solidale, cosicché essa costituisca disuniformità termica con conseguenti vibrazioni in frenata.

Infine, nel caso di condotti ad andamento curvilineo, è necessario disporre di un disco destro e di un disco sinistro.

La presente invenzione si propone perciò di ovviare almeno parzialmente agli inconvenienti sopra lamentati in riferimento alla tecnica nota.

Tale obiettivo viene raggiunto tramite un disco per freno a disco autoventilante secondo la rivendicazione 1.

Ulteriori vantaggi possono inoltre essere conseguiti tramite le caratteristiche supplementari delle rivendicazioni dipendenti.

Il dispositivo oggetto della presente invenzione verrà ora descritto nel dettaglio, con l'ausilio delle tavole allegate, in cui:

- la figura 1 mostra un disco parzialmente sezionato a livello dell'alettatura tra le fasce frenanti, secondo una possibile forma di realizzazione;

- la figura 2 rappresenta il disco secondo l'invenzione in parziale sezione trasversale.

Con riferimento alle tavole suddette, il riferimento numerico 1 contraddistingue, nella sua totalità, un disco per freno a disco autoventilante del tipo a due fasce frenanti 3', 3".

Almeno una fascia frenante 3' è collegata ad un mozzo o campana centrale 4 ad asse di rotazione X.

Le fasce frenanti 3', 3" sono parallele tra loro, collegate e distanziate reciprocamente tramite alette 2 e pioli 5.

Le alette 2 si sviluppano in senso radiale rispetto all'asse di rotazione X e ciascuna di esse si alterna circonferenzialmente ad un piolo 5 in modo da delimitare con esso un condotto di raffreddamento 8 per il passaggio dell'aria.

L'imbocco radiale delle alette 2 è un parametro fondamentale per garantire un elevato effetto autoventilante, ma soprattutto per assicurare il medesimo comportamento aerodinamico, perciò termico, del disco in entrambi i versi di rotazione.

Secondo una possibile forma di realizzazione, ciascuna aletta 2 si sviluppa tra un'estremità interna 2" ed un'estremità esterna 2' con una sezione che è minima in un tratto sostanzialmente intermedio a dette due estremità 2', 2".

Secondo una realizzazione preferita, partendo dalla circonferenza interna 6 la sezione delle alette 2 aumenta progressivamente in senso radiale prima di decrescere nuovamente fino alla sezione minima.

Secondo una realizzazione preferita ulteriore, partendo dalla sezione minima la sezione delle alette 2 aumenta progressivamente in senso radiale fino alla circonferenza esterna 7.

In altre parole, le alette 2 sono convesse in corrispondenza delle proprie estremità 2 ' , 2" e/o concave nel tratto in cui la sezione è minima.

In altre parole ancora, le alette 2 presentano un contorno curvilineo, ovvero ondulato.

In una possibile realizzazione, le estremità interne 2" delle alette 2 sono distribuite lungo una circonferenza interna 6 e, preferibilmente, con passo costante.

In alternativa oppure in aggiunta, le estremità esterne 2 ' delle alette 2 sono distribuite lungo una circonferenza esterna 7. Preferibilmente, anche la distribuzione delle alette lungo la circonferenza esterna 7 è a passo costante.

Secondo una forma realizzativa preferita dell'insegnamento, le circonferenze interna 6 ed esterna 7 coincidono sostanzialmente con bordi circolari interno ed esterno che delimitano radialmente le fasce frenanti 3', 3". Le fasce frenanti presentano pertanto una forma a corona circolare.

Le alette 2 e detti pioli 5 presentano una sezione variabile in senso radiale in maniera tale da conferire al condotto di raffreddamento 8 una sezione radialmente crescente verso l'esterno.

In una possibile forma di realizzazione, nella zona radialmente più interna di ciascuna fascia frenante 3', 3" ogni coppia di alette 2 adiacenti definisce almeno un condotto di raffreddamento 8', che presenta una sezione di passaggio dell'aria radialmente crescente verso 1'esterno.

In altre parole, muovendosi partendo dalla zona radialmente più interna di ciascuna fascia frenante 3', allontanandosi dall'asse di rotazione X, le alette 2 divergono tra loro aumentando la sezione per il passaggio dell'aria e conseguentemente anche la superficie di scambio tra la fascia frenante e l'aria, migliorando allo stesso tempo l'effetto di sottrazione del calore dalla fascia e l'effetto pompa centrifuga, del quale si dirà maggiormente tra breve.

L'insieme dei condotti di raffreddamento 8, 8' definisce la camera di ventilazione del disco freno.

I condotti di raffreddamento 8', radialmente più vicini all'asse di rotazione X, sono adatti ad aspirare aria fredda dal centro del freno a disco. Essi convogliano l'aria fredda al loro interno e la fanno transitare attraverso i condotti di raffreddamento 8, radialmente più esterni e delimitati non da due alette, ma da un piolo 5 ed un'aletta 2 adiacente. L'aria fredda viene infine convogliata per raffreddare le fasce frenanti e ad espellere infine l'aria riscaldata attraverso le estremità dei condotti 8 aperte sulla circonferenza esterna 7.

In altre parole, i freni a disco in rotazione sfruttano l'effetto pompa centrifuga, effetto enfatizzato dalla struttura di disco di seguito illustrata.

In una forma preferita di realizzazione, la sezione maggiore dei pioli 5 è disposta in corrispondenza del centro delle fasce frenanti 3', 3". Preferibilmente, essa è disposta dove la sezione delle alette 2 è minima.

In una possibile forma di realizzazione, i pioli 5 presentano una sezione progressivamente decrescente verso la loro estremità radialmente più esterna.

In altre parole, i pioli 5 hanno una forma "a goccia" con l'estremità a sezione minore rivolta verso l'esterno.

Sia le alette 2 che i pioli 5 possiedono una sezione radialmente variabile, ma, al fine di ottenere una sezione dei condotti di raffreddamento 8 crescente verso l'esterno per un efficace sfruttamento dell'effetto pompa centrifuga, in accordo con una forma preferita di realizzazione la sezione dei pioli 5 decresce radialmente più rapidamente di quanto aumenti la sezione delle alette 2.

Preferibilmente, la sezione maggiore dei pioli 5 è disposta nel centro radiale delle fasce frenanti 3', 3" con una deviazione massima dal centro del 15% e, ancora più preferibilmente, del 10%.

Secondo una forma di realizzazione vantaggiosa dell'invenzione, la lunghezza di ciascun piolo 5 è circa il 20-40% dell'estensione radiale delle fasce frenanti 3', 3" e, preferibilmente, circa il 25-35%.

In alternativa oppure in aggiunta, la superficie di contatto complessiva di alette 2 e pioli 5 alla fascia frenante 3' collegata al mozzo o campana centrale 4 è inferiore alla superficie di contatto delle alette 2 e dei pioli 5 all'altra fascia frenante 3".

In altre parole, la superficie di contatto di alette 2 e pioli 5 con ciascuna fascia frenante 3', 3" rappresenta l'area complessiva di ciascuna fascia frenante occupata da alette e pioli. Per differenza, la superficie libera da alette e pioli residua è una superficie libera che individua i condotti di raffreddamento 8, 8'.

Questa distribuzione asimmetrica delle superfici di contatto consente una migliore conduzione del calore di attrito attraverso entrambe le fasce frenanti, permettendo una ripartizione del calore superiore ai dischi della tecnica nota ed evitando la formazione di eccessivi gradienti di temperatura tra la fascia interna 3' e la fascia esterna 3".

Secondo una realizzazione vantaggiosa, la superficie di contatto complessiva di alette 2 e pioli 5 alla fascia frenante 3' collegata al mozzo o campana centrale 4 occupa tra il 35% ed il 45% della superficie totale interna della suddetta fascia 3' e, preferibilmente, il 40%.

Preferibilmente, la superficie di contatto delle alette 2 alla fascia frenante 3' collegata al mozzo o campana centrale 4 occupa tra il 60% ed l'80% della superficie di contatto complessiva e, preferibilmente, il 70%.

Secondo una realizzazione vantaggiosa ulteriore, la superficie di contatto dei pioli 5 alla fascia frenante 3' collegata al mozzo o campana centrale 4 occupa tra il 20% ed l'40% della superficie di contatto complessiva e, preferibilmente, il 30%.

Secondo una forma realizzativa analoga, la superficie di contatto complessiva di alette 2 e pioli 5 alla fascia frenante 3" non collegata al mozzo o campana centrale 4 occupa tra il 40% ed il 50% della superficie totale interna di tale fascia 3" e, preferibilmente, il 44%.

Preferibilmente, la superficie di contatto delle alette 2 alla fascia frenante 3" non collegata al mozzo o campana centrale 4 occupa tra il 55% ed il 75% della superficie di contatto complessiva e, preferibilmente, il 63%.

Effettuando un calcolo per differenza, la superficie di contatto dei pioli 5 alla fascia frenante 3" non collegata al mozzo o campana centrale 4 occupa tra il 25% ed l'45% della superficie di contatto complessiva e, preferibilmente, il 37%.

Preferibilmente, ogni piolo 5 è collegato a ciascuna fascia frenante 3', 3" attraverso una superficie di raccordo la cui tangente forma un angolo α, β rispetto ad un asse parallelo all'asse di rotazione X. Tale angolo β formato con la fascia 3" non collegata al mozzo 4 è maggiore rispetto all'angolo a formato con la fascia 3' collegata al mozzo 4.

In una variante realizzativa, ogni aletta 2 è collegata a ciascuna fascia frenante 3', 3" attraverso una superficie di raccordo la cui tangente forma un angolo α, β rispetto ad un asse parallelo all'asse di rotazione X. Tali angoli α, β sono preferibilmente simmetrici su ciascuna fascia frenante 3', 3" ma variabili lungo il contorno dell'aletta, in maniera tale da garantire l'omogeneità termica su entrambe le fasce frenanti.

Solitamente gli angoli di contatto α, β vengono anche chiamati nel gergo angoli di sformo. Infatti, secondo una possibile forma di realizzazione, il disco 1 è ottenuto per fusione, e le superfici di raccordo sono date dalla sformatura del disco fuso.

Secondo tale forma realizzativa, le superfici di raccordo delle alette 2 sono inclinate rispetto ad un asse parallelo all'asse di rotazione X lungo il contorno dell'aletta 2.

La presenza di diversi angoli di sformo sulle due superfici di contatto con le fasce frenanti 3', 3" spiega la diversa percentuale di occupazione delle alette 2 e dei pioli 5 sulle due fasce frenanti 3', 3".

Alla luce di quanto detto in precedenza, è un risultato tecnico importante che una ripartizione asimmetrica del calore, su fasce frenanti asimmetriche (la fascia 3' è collegata direttamente al mozzo o campana centrale 4, mentre la fascia esterna 3" non lo è) risulti in una temperatura simmetrica nelle due fasce frenanti 3', 3".

Secondo una forma di realizzazione ancora ulteriore, una fascia frenante 3' è integrale al mozzo o campana centrale 4.

Innovativamente il disco per freno a disco oggetto della presente invenzione consente un minore surriscaldamento del disco anche durante un prolungato ed intensivo utilizzo, scongiurando il pericoloso effetto del fading.

Innovativamente la disposizione di alette e pioli nel disco per freno a disco oggetto della presente invenzione consente di ridurre lo spessore di ciascuna fascia frenante, con l'ottenimento di dischi più leggeri rispetto a quelli della tecnica nota. L'entità di tale riduzione di spessore è vincolata dal rapporto tra la distanza delle due fasce frenanti (la cosiddetta "luce della camera di ventilazione") e lo spessore di ciascuna fascia. Tale rapporto risulta compreso tra 1,3 e 2,5. La soluzione così ottenuta si traduce in una riduzione di peso del 9-12%.

Innovativamente, inoltre, l'effetto autoventilante è ugualmente efficace in entrambi i versi di rotazione, rendendo superflua la gestione di due geometrie di dischi per garantire la medesima performance.

Vantaggiosamente, il trovato permette una distribuzione termica omogenea su entrambe le fasce frenanti ottenuto grazie alla maggiore percentuale di ancoraggio tra l'aletta e il piolo con la fascia non direttamente collegata al mozzo o campana centrale.

Inoltre, esso consente di minimizzare la formazione di cricche sulle fasce frenanti, con un considerevole vantaggio per la funzionalità, l'affidabilità d'uso ed il comfort per 1'utilizzatore.

Infine, il disco oggetto dell'invenzione diminuisce notevolmente la rumorosità in frenata, soprattutto rispetto ai dischi ad alette dritte della tecnica nota.

Alle forme di realizzazione del disco sopra descritte, un tecnico del ramo, per soddisfare esigenze contingenti, potrà apportare modifiche, adattamenti e sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti, senza uscire dall'ambito delle seguenti rivendicazioni. Ognuna delle caratteristiche descritte come appartenente ad una possibile forma di realizzazione può essere realizzata indipendentemente dalle altre forme di realizzazione descritte.

Claims (31)

1. RIVENDICAZIONI 1. Disco (1) per freno a disco autoventilante del tipo a due fasce frenanti (3', 3") , almeno una (3') delle quali collegata ad un mozzo o campana centrale (4) ad asse di rotazione (X), dove dette fasce frenanti (3', 3") sono parallele tra loro, collegate e distanziate reciprocamente tramite alette (2) e pioli (5) che si sviluppano in senso radiale rispetto all'asse di rotazione (X), dove ciascuna aletta (2) si alterna circonferenzialmente ad un piolo (5) in modo da delimitare con esso un condotto di raffreddamento (8) per il passaggio dell'aria, caratterizzato dal fatto che dette alette (2) e detti pioli (5) presentano una sezione variabile in senso radiale in modo da conferire al condotto di raffreddamento (8) una sezione radialmente crescente verso l'esterno.
2. 2. Disco (1) secondo la rivendicazione 1, in cui la sezione maggiore dei pioli (5) è disposta dove la sezione delle alette (2) è minima.
3. 3. Disco (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui ciascuna aletta (2) si sviluppa tra un'estremità interna (2") ed un'estremità esterna (2') con una sezione che è minima in un tratto sostanzialmente intermedio a dette due estremità (2', 2") .
4. 4. Disco (1) secondo la rivendicazione 3, in cui le alette (2) sono convesse in corrispondenza delle proprie estremità (2', 2").
5. 5. Disco (1) secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui le alette (2) sono concave nel tratto in cui la sezione è minima.
6. 6. Disco (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le estremità interne (2") delle alette (2) sono distribuite lungo una circonferenza interna (6).
7. 7. Disco (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le estremità esterne (2 ' ) delle alette (2) sono distribuite lungo una circonferenza esterna (7).
8. 8. Disco (1) secondo le rivendicazioni 6 o 7, in cui dette circonferenze interna (6) ed esterna (7) coincidono sostanzialmente con bordi circolari interno ed esterno che delimitano radialmente le fasce frenanti (3', 3").
9. 9. Disco (1) secondo una delle rivendicazioni 6 o 8, in cui partendo dalla circonferenza interna (6) la sezione delle alette (2) aumenta progressivamente in senso radiale prima di decrescere nuovamente fino alla sezione minima.
10. 10. Disco (1) secondo una delle rivendicazioni 7 o 8, in cui partendo dalla sezione minima la sezione delle alette (2) aumenta progressivamente in senso radiale fino alla circonferenza esterna (7).
11. 11. Disco (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui nella zona radialmente più interna di ciascuna fascia frenante (3', 3") ogni coppia di alette (2) adiacenti definisce almeno un condotto di raffreddamento (8'), che presenta una sezione di passaggio dell'aria radialmente crescente verso 1'esterno.
12. 12. Disco (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la distribuzione delle alette (2) lungo la circonferenza interna (5) e/o la circonferenza esterna (6) è a passo costante.
13. 13. Disco (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la sezione maggiore dei pioli (5) è disposta in corrispondenza del centro delle fasce frenanti (3', 3").
14. 14. Disco (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i pioli (5) presentano una sezione progressivamente decrescente verso la loro estremità radialmente più esterna.
15. 15. Disco (1) secondo la rivendicazione 10 e 14, in cui la sezione dei pioli (5) decresce radialmente più rapidamente di quanto aumenti la sezione delle alette (2).
16. 16. Disco (1) secondo una delle rivendicazioni da 13 a 15, in cui la sezione maggiore dei pioli (5) è disposta nel centro radiale delle fasce frenanti (3', 3") con una deviazione massima dal centro del 15% e, preferibilmente, del 10%.
17. 17. Disco (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la lunghezza di ciascun piolo (5) è circa il 20-40% dell'estensione radiale delle fasce frenanti (3', 3") e, preferibilmente, circa il 25-35%.
18. 18. Disco (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i pioli (5) hanno una forma "a goccia" con l'estremità a sezione minore rivolta esternamente radialmente.
19. 19. Disco (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la superficie di contatto complessiva di alette (2) e pioli (5) alla fascia frenante (3') collegata al mozzo o campana centrale (4) è inferiore alla superficie di contatto delle alette (2) e dei pioli (5) all'altra fascia frenante (3").
20. 20. Disco (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la superficie di contatto complessiva di alette (2) e pioli (5) alla fascia frenante (3') collegata al mozzo o campana centrale (4) occupa tra il 35% ed il 45% della superficie totale interna di detta fascia (3'), e preferibilmente il 40%.
21. 21. Disco (1) secondo la rivendicazione 20, in cui la superficie di contatto delle alette (2) alla fascia frenante (3') collegata al mozzo o campana centrale (4) occupa tra il 60% ed l'80% della superficie di contatto complessiva, e preferibilmente il 70%.
22. 22. Disco (1) secondo la rivendicazione 20 o 21, in cui la superficie di contatto dei pioli (5) alla fascia frenante (3') collegata al mozzo o campana centrale (4) occupa tra il 20% ed l'40% della superficie di contatto complessiva, e preferibilmente il 30%.
23. 23. Disco (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la superficie di contatto complessiva di alette (2) e pioli (5) alla fascia frenante (3") non collegata al mozzo o campana centrale (4) occupa tra il 40% ed il 50% della superficie totale interna di detta fascia (3"), e preferibilmente il 44%.
24. 24. Disco (1) secondo la rivendicazione 23, in cui la superficie di contatto delle alette (2) alla fascia frenante (3") non collegata al mozzo o campana centrale (4) occupa tra il 55% ed il 75% della superficie di contatto complessiva, e preferibilmente il 63%.
25. 25. Disco (1) secondo la rivendicazione 23 o 24, in cui la superficie di contatto dei pioli (5) alla fascia frenante (3") non collegata al mozzo o campana centrale (4) occupa tra il 25% ed l'453⁄4 della superficie di contatto complessiva, e preferibilmente il 37%.
26. 26. Disco (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui ogni piolo (5) è collegato a ciascuna fascia frenante (3', 3") attraverso una superficie di raccordo la cui tangente forma un angolo (α, β) rispetto ad un asse parallelo all'asse di rotazione (X), ed in cui l'angolo (β) formato con la fascia (3") non collegata al mozzo (4) è maggiore rispetto all'angolo (a) formato con la fascia (3') collegata al mozzo (4).
27. 27. Disco (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui ogni aletta (2) è collegata a ciascuna fascia frenante (3', 3") attraverso una superficie di raccordo la cui tangente forma un angolo (α, β) rispetto ad un asse parallelo all'asse di rotazione (X), ed in cui detti angoli (α, β) sono uguali su entrambe le fasce frenanti e variabili lungo il contorno dell'aletta.
28. 28. Disco (1) secondo la rivendicazione 27, in cui le superfici di raccordo sono inclinate rispetto ad un asse parallelo all'asse di rotazione (X) lungo il contorno dell'aletta (2).
29. 29. Disco (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ottenuto per fusione.
30. 30. Disco (1) secondo una delle rivendicazioni da 26 e 27, in cui dette superfici di raccordo sono date dalla sformatura del disco fuso.
31. 31. Disco (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui una fascia frenante {3' ) è integrale al mozzo o campana (4).