ITMI980936A1 - Disco freno per autoveicoli particolarmente per vetture sportive e/o da competizione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

di una domanda di Brevetto d'invenzione dal titolo:

"Disco freno per autoveicoli, particolarmente per vetture sportive e/o da competizione"

La presente invenzione si riferisce ai dischi freno per veicoli in generale ed in particolare per autoveicoli, veicoli commerciali e specificatamente per autovetture sottoposte a ripetute e prolungate frenate come le vetture sportive e/o da competizione.

Come é noto, due sono i tipi di disco normalmente impiegati negli impianti di frenatura degli autoveicoli: un primo tipo é costituito da un unico disco (disco monolitico) mentre il secondo tipo, cosiddetto "disco autoventilato", é costituito da due dischi elementari formanti un corpo unico col mozzo e separati da una pluralità di alette radiali che definiscono altrettanti canali per la ventilazione interna del disco. Per aumentare la ventilazione della superficie o fascia frenante, sono previsti sia sul primo tipo di disco che sul secondo tipo in aggiunta ai canali radiali, delle feritoie o fori assiali passanti.Tuttavia, queste feritoie o fori, come normalmente posizionati, non rispondono ad una condizione ottimale di distribuzione sulla fascia frenante in quanto non assicurano un sufficiente smaltimento del calore che si sviluppa nel disco durante la frenatura e, d'altra parte, non soddisfano altri requisiti per il buon funzionamento ed utilizzo del disco.

Secondo una soluzione nota, i fori assiali sono disposti lungo archi di circonferenze sicché il flusso di aria in uscita dai fori raffredda sostanzialmente le sole piste circolari su cui essi si trovano, mentre lambisce e raffredda insufficientemente la rimanente superficie della fascia frenante. Ne deriva che il surriscaldamento del disco durante la frenatura può diventare eccessivo provocando deformazioni strutturali e, in definitiva, compromettere la tenuta della frenata. Anche l'azione di pulizia sulle pastiglie freno è parziale e approssimata perché limitata a quella parte di pastiglie in cui le stesse riscontrano/incontrano la serie di fori sugli archi di cerchio.

Un'altra soluzione pure nota prevede la disposizione a raggiera dei fori; in questo caso, oltre gli inconvenienti di cui sopra, si ha pure un indebolimento della struttura del disco lungo i raggi.

Secondo una ulteriore soluzione, i fori assiali di ventilazione sono disposti sulla fascia frenante a mò di "penne di alpino" cioè secondo linee diritte e inclinate (\ ) o secondo linee ad arco di cerchio ( ). In questo caso, a causa del distanziamento dei fori, necessario per non compromettere la resistenza del disco, le piste circolari intermedie cioè quelle situate tra un foro e l'altro, sono insufficientemente ventilate ed inoltre a causa dell'assenza di fori di riscontro su queste piste, le pastiglie non risultano pulite su tutta la loro larghezza.

Altro inconveniente é che la disposizione inclinata e ad arco delle serie di fori non soddisfa condizioni di simmetria a causa del diverso orientamento assunto dalla serie di fori se il disco è ruotato di 180°, sicché uno stesso tipo di disco non può essere montato indifferentemente a destra o a sinistra dell'asse di un veicolo e, se questo erroneamente avviene a causa dell'imperizia dell'operatore, si ha un comportamento sbilanciato del disco durante la frenata.

Questo sbilanciamento si accentua nei dischi autoventilati quando uno o più fori assiali intersecano le alette di separazione dei due dischi elementari, asportando del materiale e creando quindi uno squilibrio nella massa rotante.

Nelle suddette condizioni si manifestano rumori e vibrazioni fastidiose che si trasmettono dall'avantreno al conducente dell'autovettura attraverso il volante, come pure può risultare indebolita la struttura del disco.

Da rilevare che, attualmente, allo scopo di superare i possibili problemi di sbilanciamento dei dischi con fori disposti a "penne d'alpino" si è costretti realizzare due produzioni di dischi: una produzione di dischi da montare a destra del veicolo ed un'altra produzione di dischi da montare a sinistra.

Scopo della presente invenzione é di realizzare un nuovo disco freno per veicoli motorizzati che elimini tutti gli inconvenienti e le limitazioni dei dischi attualmente impiegati e, specificatamente soddisfi le seguenti condizioni:

presenti una elevata capacità di smaltimento del calore che si genera durante la frenatura in modo da garantire un alto coefficiente di attrito e quindi frenate pronte·ed efficaci anche dopo un uso continuativo dell’impianto frenante;

- garantisca un'efficace e completa pulizia delle pastiglie con un contatto soft tra quest'ultime e i fori,

risulti intercambiabile in modo da poter essere utilizzato indifferentemente dall'uno o dall'altro lato di un veicolo e non richieda una produzione separata, ed infine

- risulti di struttura solida e si comporti perfettamente bilanciato durante le frenate.

Secondo l'invenzione, i suddetti ed altri scopi sono soddisfatti con un disco freno caratterizzato da una serie di fori passanti, assiali distribuiti uniformemente lungo la fascia frenante secondo un percorso sinusoidale.

La distribuzione dei fori può essere realizzata mediante uno o più moduli sinusoidali aventi tutto lo stesso andamento e lo stesso periodo.

Per una migliore ventilazione il disco presenta inoltre dei fori assiali aggiuntivi disposti nella zona adiacente al minimo o massimo di ciascun modulo.

Secondo un altro aspetto importante dell'invenzione sia i fori dei moduli che i fori aggiuntivi sono posizionati su piste circolari adiacenti fra di loro in modo che l'intera superficie della fascia frenante risulti esposta al flusso di aria in uscita dai fori.

Per conseguire una efficacia e completa pulizia delle pastiglie, il disco, secondo un ulteriore aspetto dell'invenzione, presenta delle coppie di gole o cave simmetriche distribuite uniformemente lungo la fascia frenante. Le gole di ciascuna coppia sono inclinate, simmetriche fra di loro e convergenti verso l'interno o l'esterno del disco.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione riferita agli allegati disegni che, a solo titolo di esempio, mostrano delle preferite forme di realizzazione del disco freno. Nei disegni:

Figura 1 mostra la vista frontale di un disco freno provvisto di fori passanti di ventilazione distribuiti sulla fascia frenante secondo tre moduli sinusoidali, conformemente all'invenzione; Figura 2 mostra il disco freno di Figura 1 provvisto inoltre di fori aggiuntivi di ventilazione;

Figura 3 mostra il disco freno di Figura 2 con la rappresentazione delle piste circolari su cui si trovano i vari fori di ventilazione; Figura 4 mostra il disco freno di Figura 2 con là rappresentazione del percorso dei flussi di aria all'uscita dei fori di una semionda di modulo durante la rotazione del disco;

Figura 5 mostra il disco freno di Figura 2 provvisto di tre coppie di gole simmetriche;

Figura 6 mostra il disco freno di Figura 2 provvisto di quattro moduli sinusoidali e di quattro coppie di gole simmetriche;

Figure 7 e 8 mostrano in prospettiva un disco freno formato, rispettivamente, da un disco monolitico e da un disco autoventilato, l'uno e l'altro provvisti di moduli e di coppie di gole conformemente all'invenzione;

Figura 9, 10 e 11 mostrano l'andamento di alcune grandezze fisiche del disco freno secondo l'invenzione durante la frenatura, confrontato con l'andamento delle analoghe grandezze di un disco convenzionale o standard.

Con riferimento alla Figura 1 è indicato con D un disco freno per autoveicoli del tipo "autoventilato" cioè costituito da due dischi elementari formanti una unità col mozzo MZ e separati da una pluralità di alette radiali AR che definiscono fra loro altrettanti canali CR che mettono in comunicazione la parte periferica del disco con l'interno del mozzo.

Il mozzo è provvisto di fori assiali FA per il collegamento del disco alla ruota dell'autoveicolo.

Secondo l'invenzione il disco è provvisto di una serie di fori passanti, assiali FI, F2, F3...FN, uniformemente distribuiti sulla superficie anulare frenante o fascia frenante FF secondo un andamento sinusoidale.

La distribuzione dei fori può essere realizzata mediante uno o più moduli sinusoidali identici che si sviluppano per l'intera larghezza della fascia frenante e ciascuno di periodo dove m é il numero

dei moduli. Nell'esempio di Figura 1 i moduli sono tre M1, M2, M3 sicché il periodo di ciascuno di essi é di

I fori attraversano il disco in corrispondenza della mezzeria dei canali radiali CR con i quali sono in comunicazione e, pertanto, non interferiscono con le alette AR. Un solo foro di modulo viene a trovarsi in ciascun canale radiale.

Per quanto sopra la resistenza meccanica del disco e il suo bilanciamento durante la frenata non sono pregiudicati.

Preferibilmente i fori sono così distribuiti su ciascuno modulo: un foro é posizionato nel minimo, un altro nel massimo, alcuni altri, ad esempio quattro nel caso di Figura 1, su una semionda ed altrettanti sull’altra semionda. Tutti i fori, come detto, sono disposti sul raggio passante per la mezzeria dei canali CR ma in posizione angolarmente sfasata e a distanza diversa dal centro disco.

Per migliorare ulteriormente la ventilazione, il disco é pure provvisto, secondo l'invenzione, di fori passanti aggiuntivi disposti nella zona della fascia frenante che é esterna al minimo o interna al massimo, rispettivamente, di ciascun modulo.

Nella Figura 2 è mostrato, per ogni modulo, un solo foro aggiuntivo Al disposto sullo stesso raggio del foro (minimo) FI ed un solo foro aggiuntivo A2 disposto sullo stesso raggio del foro (massimo) FN. Con tale disposizione anche i fori Al e A2 attraversano il disco passando per la mezzeria dei canali radiali CR.

In una variante, i fori aggiuntivi potrebbero essere più di uno e in questo caso posizionati o lungo lo stesso raggio di F1 e di FN oppure in maniera simmetrica rispetto a questi raggi.

La disposizione sinusoidale dei fori F1, F2...FN oltre ad assicurare una uniforme distribuzione delle masse, circostanza importante ai fini del comportamento bilanciato del disco ed un graduale e soft contatto tra le pastiglie freno ed il bordo dei fori durante la frenatura, consente pure, secondo un aspetto particolare dell'invenzione,di posizionare i fori aventi la stessa distanza dal centro disco, ivi compreso i fori aggiuntivi Al e A2,in modo che ciascuno di essi venga a trovarsi su una pista circolare della fascia frenante che é adiacente alla pista circolare del foro che segue o precede sulla semionda di modulo. Così, ad esempio, come é indicato in Figura 3, la pista circolare C2 sulla quale di trova il foro F2 é adiacente alla pista C3 sulla quale si trova F3 e alla pista C1 sulla quale si trova F1.

Con tale disposizione dei fori ciascuna pista circolare, durante la rotazione del disco, è investita direttamente dal flusso di aria in uscita dai fori di modulo F1, F2...FN e dai fori aggiuntivi Al, A2 come mostrato schematicamente nella Figura 4 dove sono indicati con C1', C2', C3'... i flussi di aria in uscita dai fori F1, F2, F3... di una semionda di modulo. Ne deriva che la fascia frenante é intensamente raffreddata al 100% della sua superficie con conseguente aumento della sua capacità di scambiare e dissipare il calore prodotto dall'attrito con le pastiglie freno durante la frenata. Si riduce così la temperatura di esercizio del disco in qualsiasi condizione di uso col vantaggio di evitare il suo eccessivo sovrariscaldamento o stress termici che sono le cause potenziali di deformazione strutturali, vibrazioni, sbilanciamenti. In definitiva, si realizza un disco freno particolarmente adatto per vetture soggette a continue ed prolungate frenate.

Per ottenere una efficace e completa pulizia delle pastiglie, il disco secondo l'invenzione, comprende pure delle coppie di gole simmetriche CG distribuite uniformemente su ogni superficie frenante FF, come mostrato nelle Figure 5 e S.

Le gole o cave GL di ogni coppia sono diritte e continue ed inoltre molto inclinate quasi a risultare tangenti al mozzo MZ del disco. Esse sono simmetriche rispetto al raggio di mezzeria dei canali CR e convergenti verso l'interno del disco senza interferire con i fori di modulo F1...FN e i fori aggiuntivi Al e A2. E' così mantenuta la distribuzione uniforme e simmetrica delle masse.

Preferibilmente, le gole sono disposte in corrispondenza della zona di minimo (F1) di ciascun modulo ma potrebbero essere disposte in altra zona della fascia frenante come pure essere divergenti verso l'interno del disco .

La notevole inclinazione delle gole GL assicura un contatto graduale e soft con le pastiglie durante la frenata del disco evitando così bruschi colpi, sobbalzi e sollecitazioni e quindi rumori e vibrazioni.

Inoltre, la pulizia delle pastiglie é completa dato che le gole inclinate si estendono per quasi tutta la larghezza della fascia frenante.

Con l'eliminazione completa delle scorie e dei gas generati dall'attrito delle pastiglie sulle superfici frenanti, aumenta l'efficienza del sistema frenante della vettura anche quando sottoposto ad uso intenso e prolungato, il disco si mantiene ad una temperatura costante e risulta ridotto l'effetto fading (riduzione dell'efficienza del sistema frenante in seguito ad uso intenso e prolungato).

Con la disposizione simmetrica delle gole GL e la distribuzione particolare dei fori assiali, si ha vantaggiosamente la possibilità di montare un disco indifferentemente da un lato o dall'altro dell'asse di un veicolo dato che tutte le sue lavorazione rimangono speculari anche quando il disco é ruotato di 180°.

Non é quindi necessario prevedere due serie di produzione di dischi e sono superati i potenziali errori di montaggio.

Le gole, come mezzi di rimozione dei detriti, polvere, ecc.dalla fascia frenante, potrebbero avere una forma diversa da quella illustrata ma in ogni caso esse dovranno assumere una configurazione simmetrica per soddisfare la condizione di intercambiabilità del disco.

Le Figure 5 e 6 differiscono fra di loro per il diverso numero di moduli e di coppie di gole.

Nella Figura 5 le coppie di gole CG sono tre ed altrettanto sono i moduli M1, M2 e M3 mentre nella Figura 6, dove é maggiore il numero di alette AR, sia le coppie di gole CG che i moduli M1,M2,M3,M4 sono quattro. La Fig. 7 mostra in prospettiva un disco freno monolitico cioè formato da un unico pezzo, provvisto di tre moduli con fori F1...FN e fori aggiuntivi Al, A2 come pure, su ogni fascia frenante,di tre coppie di gole CG ciascuna comprendente due gole inclinate GL.

La Fig.8 mostra in prospettiva un disco freno autoventilato formato da due dischi elementari D1,D2 ciascuno provvisto di quattro moduli con fori F1...FN e fori aggiuntivi Al, A2 come pure, su ogni fascia frenante, di quattro coppie di gole GC ciascuna comprendente due gole inclinate GL. In questa figura si intravedono pure le alette radiali AR di separazione dei due dischi elementari che definiscono fra di loro i canali radiali di raffreddamento interno del disco.

Nella precedente trattazione ci si è riferiti, a solo titolo di esempio, ad un disco freno provvisto di tre o quattro moduli e, su ogni fascia frenante, di tre o quattro coppie di gole. E' ovvio, tuttavia, che il numero dei moduli e dei loro fori come pure il numero delle coppie di gole e la disposizione ed inclinazione delle gole potranno variare a seconda delle pratiche esigenze. In generale, nel caso di un disco autoventilato una volta stabilito il numero di alette e quindi dei canali radiali risulta determinato il numero dei fori assiali di ventilazione mentre può ancora variare, entro certi limiti, la scelta del numero di moduli e delle coppie di gole.

In pratica, con riferimento alle dimensioni e caratteristiche dei dischi normalmente impiegati, il numero dei moduli e delle coppie di gole é compreso tra tre e quattro ma può variare anche tra due e sei.

Grazie all'andamento sinusoidale dei moduli può variare anche la posizione dei fori, senza indebolire la struttura, in modo da ridurre la loro distanza (scarto) radiale ed avere delle piste circolari parzialmente sovrapposte anziché adiacenti. Ciò significa che, in una proiezione radiale dei fori di una semionda di modulo, questi fori risulterebbero l'uno a fianco all'altro o l'uno appena sovrapposto all'altro.

Naturalmente, nella determinazione dei suddetti elementi ha molta importanza il tipo di veicolo motorizzato, autovettura, veicolo commerciale o vettura da competizione cui il disco è destinato e le prestazioni richieste al veicolo stesso.

Nei grafici di Figure 9, 10 e 11 sono messe in evidenza alcune grandezze caratteristiche del disco freno secondo l'invenzione durante le frenate, comparate con le analoghe grandezze di un disco standard avente gli stessi dati tecnici.

Il disco considerato é del tipo autoventilato con quattro moduli M1...M4 e relativi fori F1...FN, quattro coppie di gole CG e quattro fori aggiuntivi Al, A2, come mostrato in Figura 6. I dati tecnici del disco sono i seguenti:

materiale: GH 190; diametro esterno: 238 mm; spessore: 20 mm.

I rilievi sono stati effettuati nel corso di una serie di frenate; ogni volta il veicolo da fermo é stato portato alla velocità di 100 Km/h e poi frenato fino all’arresto. All'inizio e alla fine dì ogni frenata sono stati registrati i valori delle grandezze interessate il cui andamento é mostrato nelle Figure·qui di seguito descritte:

Figura 9 mostra l'andamento della temperatura T in funzione del numero di frenata cioè della la, 2a, 3a...30a ecc.frenata (stop). Con Ti é indicata la curva delle temperature all'inizio delle varie frenate e con Tf la curva delle temperature alla fine delle frenate (v. linee continue) del disco secondo l'invenzione.

Analogamente, le curve ti e tf (v. linee a tratteggio) rappresentano, rispettivamente, le curve delle temperature all'inizio e alla fine di ogni frenata del disco standard.

Si nota che nel disco secondo l'invenzione, grazie all'efficace ventilazione,la curva Tf é al disotto della corrispondente curva tf del disco standard.Ciò significa che il disco secondo l'invenzione é meno surriscaldato alla fine delle frenate e la sua temperatura, a partire già dalla 15<a>-20<a >(quindicesima/ventesima) frenata, tende a stabilizzarsi cioè ad oscillare intorno ad un valore costante al contrario della temperatura del disco convenzionale che continua a crescere.

Si nota pure che alle prime frenate, la differenza di temperatura fra i due dischi é minima mentre con l'aumentare del numero di frenate tale differenza si accentua. Questo significa che in condizioni normali (alle prime frenate) i due dischi si equivalgono,mentre al crescere del numero di frenate si evidenzia il comportamento favorevole del disco secondo l'invenzione. E'quindi evidente come esso sia particolarmente adatto per autoveicoli sportivi e/o da competizione sottoposti appunto ad un continuo ed elevato numero di frenate.

Figura 10 mostra l'andamento della pressione P richiesta dal sistema frenante in funzione del numero di frenate (stops).

Con PR é indicata la curva delle pressioni (v. linea continua) di un disco secondo l'invenzione mentre la curva pr (v. linea tratteggiata) mostra l'andamento della pressione di un disco standard.

Si nota che la pressione PR si mantiene sostanzialmente costante durante le varie frenate mentre la pressione pr cresce fortemente alle prime frenate fino a raggiungere un massimo per poi decrescere lentamente ma sempre rimanendo al disopra della curva PR.

Infine, Figura 11 mostra l'andamento del coefficiente d'attrito A in funzione del numero di frenate (stops).

Con AT é indicata la curva del coefficiente d'attrito (v. linea continua) del disco secondo l'invenzione mentre la curva at (v. linea tratteggiata) mostra l'andamento del coefficiente d'attrito di un disco convenzionale. Si nota che la curva AT é sempre al disopra della curva at. Ciò significa che il disco secondo l'invenzione ha un maggiore potere di attrito rispetto a un disco standard e ciò é dovuto all'intenso raffreddamento esercitato dai fori distribuiti secondo moduli sinusoidali su ogni fascia frenante del disco.

Da notare pure che alle prime frenate la curva at tende a decrescere fortemente fino a raggiungere un minimo per poi risalire lentamente ma sempre mantenendosi al disotto della curva AT.

Il minimo della curva at coincide con il massimo della curva pr di Figura 10 il che sta a confermare che al minimo attrito (Figura 11) corrisponde appunto una maggiore forza/pressione richiesta dal sistema frenante.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Disco freno per veicoli motorizzati, autoveicoli, veicoli commerciali particolarmente per vetture sportive e/o da competizione, caratterizzato dal fatto che é provvisto di una serie di fori passanti, assiali (F1, F2... FN) distribuiti uniformemente sulla fascia anulare frenante (FF) secondo un andamento sinusoidale realizzato mediante uno o più moduli sinusoidali identici (HI,M2..), ciascuno di periodo , dove T = 360° ed m é il numero dei moduli.
2. 2. Disco freno seconda la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i fori di ciascun modulo sono così distribuiti: un foro (F1) é disposto nel minimo, un altro (FN) nel massimo, alcuni altri su una semionda ed altrettanti sull'altra semionda.
3. 3. Disco freno secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che presenta inoltre almeno un foro passante aggiuntivo (A1 o A2) disposto in ciascuna zona della fascia frenante che è esterna o interna, rispettivamente, al minimo o massimo dei moduli.
4. 4. Disco freno secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il o fori aggiuntivi sono disposti sul raggio passante per il minimo e massimo del modulo.
5. 5. Disco freno secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che i fori aggiuntivi sano disposti simmetrici rispetto al raggio passante per il minimo e massimo del modulo.
6. 6. Disco freno secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i fori passanti aventi lo stesso raggio dal centro disco si trovano su piste circolari (C1, C2, C3...) adiacenti fra loro.
7. 7. Disco freno secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che é provvisto di mezzi simmetrici (CG) per la completa pulizia delle pastiglie freno, distribuiti uniformemente sulla superficie frenante.
8. 8. Disco freno secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di pulizia sono costituiti da coppie di gole simmetriche (CG) e che le gole (GL) di ciascuna coppia sono diritte, continue e convergenti o divergenti, in maniera simmetrica (speculare), verso l'interno del disco e che si estendono inclinate per tutta la larghezza della fascia frenante (FF) senza interferire con i fori di modulo ed i fori aggiuntivi.
9. 9. Disco freno secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che le gole di ciascuna coppia sono disposte nella zona del minimo di ciascun modulo e convergono verso il minimo.
10. 10. Disco freno monolitico costituito da un unico disco solido, caratterizzato dal fatto che presenta fori di ventilazione (FI, F2...FN) e mezzi di pulizia delle pastiglie (GL) secondo le rivendicazioni da 1 a 9.
11. 11. Disco freno secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che presenta: - un numero (m) di moduli compreso fra 2 o 6, preferibilmente fra 3 o 4; - un numero di coppie gole (CG) compreso fra 2 e 6, preferibilmente fra 3 e 4; - un foro passante aggiuntivo (A1,A2) disposto su ogni raggio passante per il minimo e massimo dei moduli.
12. 12. Disco freno autoventilato costituito da due dischi elementari (D1, D2) con interposte alette radiali (AR) che definiscono altrettanti canali interni di ventilazione (CR), caratterizzato dal fatto che i fori di ventilazione (F1, F2... FN) secondo le rivendicazioni 1 a 9, attraversano i dischi in corrispondenza della mezzeria dei canali radiali, con i quali comunicano, a distanza radiale diversa.
13. 13. Disco freno secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che presenta: - un numero (m) di moduli compreso fra 2 e 6, preferibilmente fra 3 e 4; - un numero di coppie di gole (CG) compreso fra 2 e 6, preferibilmente fra 3 e 4; - un foro passante aggiuntivo (A1,A2) disposto su ogni raggio passante per il minimo e massimo dei moduli