ITPD20120404A1 - Freno a disco - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

CAMPO DI APPLICAZIONE

La presente invenzione riguarda un freno a disco.

STATO DELLA TECNICA

Un disco freno di un impianto frenante a disco di un veicolo, comprende una struttura anulare, o fascia di frenatura, e un elemento di fissaggio centrale, noto come campana, tramite il quale il disco à ̈ fissato alla parte rotante di una sospensione di un veicolo, ad esempio un mozzo. La fascia di frenatura à ̈ munita di superfici di frenatura contrapposte adatte a cooperare con elementi di attrito (pastiglie freno), alloggiate in almeno un corpo pinza posto a cavaliere di tale fascia di frenatura e solidale ad un componente non rotante della sospensione del veicolo. La comandata interazione tra le opposte pastiglie freno e le contrapposte superfici di frenatura della fascia frenante determinano per attrito un’azione di frenatura che permette la decelerazione o arresto del veicolo. Uno dei principali problemi dei freni a disco à ̈ quello di prolungare la vita delle superfici di frenatura e delle pastiglie freno.

Come noto infatti, nelle superfici di frenatura si creano rapidamente solchi o altre disomogeneità superficiali, ad esempio a causa dello sporco o dello stesso materiale d’attrito delle pastiglie polverizzato durante la frenatura, che si interpongono tra la superficie di frenatura e la pastiglia durante l’azione di frenatura. Queste disomogeneità superficiali determinano un fastidioso rumore, o raschio (rattle), ed un considerevole aumento dell’usura del disco e della pastiglia stessa. Praticamente, questi inconvenienti limitano la vita del disco freno sia per un inadeguato comfort di servizio, sia per eccessiva usura dei componenti.

I suddetti problemi di usura sono particolarmente accentuati nei dischi realizzati con materiali tradizionali, come ghisa grigia e alluminio o leghe di alluminio, rispetto a dischi realizzati in materiali carboceramici.

E’ quindi particolarmente sentita la necessità di ridurre l’usura del disco freno, in particolare se realizzato in alluminio o ghisa grigia, e delle pastiglie, così da attenuare gli inconvenienti sopra esposti.

Sul lato disco freno il problema à ̈ stato affrontato proponendo dischi freno rivestiti con materiali protettivi, destinati a migliorare la resistenza all’usura. In particolare, una tipologia di rivestimento protettivo prevede l’utilizzo di una miscela di polveri ceramiche e materiali metallici leganti.

Sul lato pastiglia freno, il problema à ̈ stato affrontato in numerosi modi, proponendo e testando differenti tipologie di materiali d’attrito.

Una tipologia di materiale d’attrito molto diffusa consiste in materiali ottenuti per stampaggio a caldo composti da fibre, materiali abrasivi, lubrificanti, materiali metallici e leganti polimerizzabili (ad esempio resina fenolica).

Un esempio di materiale d’attrito à ̈ decritto in US20060151268. Il materiale d’attrito include fibre di ferro, alluminio, zinco e stagno. Le fibre di ferro sono presenti con una quantità in volume tra circa 1% e circa 10%. Le fibre di alluminio, zinco e stagno sono presenti con una quantità in volume tra circa 1% e circa 5%. Il materiale di attrito à ̈ privo di rame elementare, così da evitarne il rilascio nell’ambiente durante l’uso. In particolare il materiale d’attrito comprende circa 11% in volume di grafite e/o coke oppure circa 6% in volume solo di grafite. Il materiale comprende inoltre circa il 3% in volume di allumina oppure circa il 5% in volume di ossido di zirconio.

Come à ̈ noto, per ottenere sistemi frenanti con buone prestazioni tribologiche e con elevata resistenza all’usura dei componenti, à ̈ necessario calibrare le caratteristiche disco freno a quelle della pastiglia e viceversa. Spesso, infatti, componenti (dischi e pastiglie) che singolarmente presi presentano ottime prestazioni (ad esempio in termini di resistenza all’usura), danno poi risultati mediocri, se non addirittura pessimi, quando utilizzati in combinazione. E’ quindi particolarmente sentita nel settore la necessità di individuare freni a disco che offrano buone prestazioni tribologiche ed esaltino le prestazioni dei singoli componenti soggetti ad usura (i.e. dischi e pastiglie).

PRESENTAZIONE DELL'INVENZIONE

Tale esigenza à ̈ soddisfatta da un freno a disco in accordo con la rivendicazione 1.

In particolare, tale esigenza à ̈ soddisfatta da un freno a disco comprendente:

- un disco freno, comprendente una fascia di frenatura dotata di due superfici di frenatura contrapposte, ciascuna delle quali definisce almeno parzialmente una delle due facce principali del disco;

- elementi di attrito, comandabili a cooperare con dette superfici di frenatura determinando per attrito un’azione di frenatura.

Il disco à ̈ dotato di un rivestimento protettivo che copre almeno una delle due superfici di frenatura della fascia di frenatura. Il rivestimento à ̈ costituito dall’80 al 90% in peso di carburo di tungsteno, dall’8% al 12% in peso di cobalto e dal 2% al 6% in peso di cromo. Il rivestimento à ̈ ottenuto depositando sul disco i componenti del rivestimento in forma particellare con tecnica plasma spray HVOF (High Velocity Oxygen Fuel). Ciascun elemento di attrito comprende una porzione di attrito costituita da 10% a 40% in peso di materiali abrasivi, da 8% a 40% in peso di lubrificanti, da 5 a 30% in peso di fibre metalliche, dal 6% al 18% in peso di legante organico e da 10% al 20% in peso di riempitivi inorganici, il restante essendo costituito da riempitivi organici.

Preferibilmente, la porzione di attrito à ̈ costituita da 25% a 30% in peso di materiali abrasivi, da 25% a 35% in peso di lubrificanti, da 15 a 20% in peso di fibre metalliche, da 8% a 15% in peso di legante organico e da 10% al 20% in peso di riempitivi inorganici, il restante essendo costituito da riempitivi organici.

La porzione di attrito ha una densità compresa tra 2 e 3 g/cm3. Preferibilmente la densità à ̈ compresa tra 2,60 e 2,20 g/cm3.

La porzione di attrito ha una porosità non superiore al 10%.

Secondo una forma preferita di realizzazione del freno a disco, il rivestimento 3 Ã ̈ costituito da 86% in peso di carburo di tungsteno, da 10% in peso di cobalto e da 4% in peso di cromo.

Preferibilmente, il rivestimento à ̈ ottenuto depositando sul disco detti componenti in forma particellare con una granulometria compresa tra 5 e 40 Î1⁄4m.

Secondo una forma particolare di realizzazione del freno a disco, il rivestimento protettivo ha uno spessore compreso tra 20 Î1⁄4m e 100 Î1⁄4m.

Secondo una forma particolare di realizzazione del freno a disco, il rivestimento protettivo à ̈ composto da uno strato di base, che à ̈ associato direttamente al disco ed à ̈ realizzato con un primo passaggio di deposizione del materiale in forma particellare, e da uno strato superiore di finitura, che à ̈ disposto sullo strato di base ed à ̈ realizzato con un secondo passaggio di deposizione del materiale particellare. Il materiale in forma particellare depositato con il primo passaggio di deposizione ha una granulometria superiore rispetto a quello depositato con il secondo passaggio di deposizione. Il primo passaggio con grana più grossa consente di migliorare l’adesione del rivestimento protettivo, mentre il secondo passaggio con grana più fine consente di ridurre la porosità.

In particolare, il materiale particellare depositato con il primo passaggio di deposizione ha una granulometria compresa tra 30 e 40 Î1⁄4m, mentre il materiale particellare depositato con il secondo passaggio di deposizione ha una granulometria compresa tra 5 e 20 Î1⁄4m.

In particolare, il rivestimento protettivo ha in corrispondenza dello strato di finitura una rugosità superficiale Ra compresa tra 2,0 e 3,0 Î1⁄4m.

Secondo una possibile forma di realizzazione del freno a disco, lo strato di base ha uno spessore compreso tra 2/4 e 3/4 dello spessore totale del rivestimento, mentre lo strato di finitura ha uno spessore compreso tra 1/4 e 2/4 dello spessore totale del rivestimento. Secondo una possibile forma di realizzazione del freno a disco, tutto il disco à ̈ in alluminio o lega di alluminio.

Secondo una possibile forma di realizzazione del freno a disco, il rivestimento protettivo copre tutta la superficie del disco.

Secondo una forma preferita di realizzazione del freno a disco, il rivestimento presenta spessori differenti in aree differenti della superficie del disco.

In particolare, ciascuna faccia principale del disco à ̈ definita almeno da una prima porzione anulare, corrispondente ad una superficie di frenatura della fascia di frenatura, e da una seconda porzione anulare, che à ̈ più interna rispetto alla prima e che definisce la zona di fissaggio del disco al veicolo. Il rivestimento protettivo sulla prima porzione anulare ha uno spessore superiore rispetto a quello del rivestimento realizzato sulla seconda porzione.

Vantaggiosamente, la porzione di attrito di ciascun elemento di attrito ha un modulo a rottura, misurato con prova di flessione a tre punti, maggiore di 20 MPa. Vantaggiosamente, la porzione di attrito di ciascun elemento di attrito ha un modulo elastico, misurato con prova di flessione a tre punti, maggiore di 8 GPa.

In accordo ad una forma realizzativa preferita dell’invenzione, i materiali abrasivi compresi nella porzione di attrito sono in forma di particelle aventi una granulometria non superiore a 60 Î1⁄4m.

In particolare, i materiali abrasivi comprendono particelle di allumina e/o di periclasio.

In accordo ad una forma realizzativa preferita dell’invenzione, i lubrificanti sono in forma di particelle aventi una granulometria compresa tra 350Î1⁄4m e 750Î1⁄4m.

In particolare, i lubrificanti comprendono grafite e/o coke.

In accordo ad una forma realizzativa preferita dell’invenzione, le fibre metalliche comprendono fibre in rame e/o in ferro.

Preferibilmente, il legante organico à ̈ resina fenolica. In particolare, i riempitivi inorganici comprendono barite e/o vermiculite.

In particolare, i riempitivi organici comprendono gomma e/o fibra aramidica.

Preferibilmente, la porzione di attrito di ciascun elemento di attrito à ̈ ottenuta per stampaggio a pressioni non inferiori a 250 Kg/cm2, e preferibilmente non inferiore a 550 Kg/cm2.

Preferibilmente, la porzione di attrito di ciascun elemento di attrito à ̈ sottoposta ad un trattamento termico di polimerizzazione del legante organico per un periodo di tempo non inferiore a 5 minuti.

DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente comprensibili dalla descrizione di seguito riportata di suoi esempi preferiti e non limitativi di realizzazione, in cui: - la Figura 1 mostra una vista in pianta dall’alto del disco di un freno a disco in accordo ad una forma realizzativa della presente invenzione; e

- la figura 2 mostra una vista in sezione del disco di Figura 1 secondo la linea di sezione II-II ivi indicata;

- le Figure 3, 4 e 5 mostrano le fotografie della fascia di frenatura al termine di una prova di rodaggio del disco di un freno a disco rispettivamente secondo l’invenzione e secondo due differenti soluzioni alternative;

- le Figure 6 e 7 mostrano le fotografie della fascia di frenatura al termine di una prova AK master su banco dinamico del disco di un freno a disco rispettivamente secondo l’invenzione e secondo una soluzione alternativa.

Gli elementi o parti di elementi in comune tra le forme di realizzazione descritte nel seguito saranno indicati con medesimi riferimenti numerici;

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Con riferimento alla suddette figure, con 1 si à ̈ globalmente indicato un freno a disco secondo la presente invenzione.

In accordo ad una soluzione realizzativa generale dell’invenzione, illustrato nelle Figure allegate, il freno a disco comprende:

- un disco freno 1, comprendente a sua volta una fascia di frenatura 2 dotata di due superfici di frenatura contrapposte 2a, 2b, ciascuna delle quali definisce almeno parzialmente una delle due facce principali del disco; e

- elementi di attrito, comandabili a cooperare con le superfici di frenatura 2a, 2b determinando per attrito un’azione di frenatura.

Per semplicità di trattazione, sebbene l’invenzione consista nella combinazione del disco freno 1 degli elementi di attrito, il disco 1 e gli elementi di attrito verranno di seguito descritto separatamente. Secondo l’invenzione, il disco 1) à ̈ dotato di un rivestimento protettivo 3 che copre almeno una delle due superfici di frenatura della fascia di frenatura. Il rivestimento à ̈ costituito dall’80 al 90% in peso di carburo di tungsteno, dall’8% al 12% in peso di cobalto e dal 2% al 6% in peso di cromo.

Il rivestimento à ̈ ottenuto depositando sul disco i componenti del rivestimento in forma particellare con tecnica plasma spray HVOF (High Velocity Oxygen Fuel). Vantaggiosamente, il disco freno viene predisposto con una porzione atta al fissaggio del disco ad un veicolo, costituita da una porzione anulare 4 disposta centralmente al disco 1 e concentrica alla fascia di frenatura 2. La porzione di fissaggio 4 supporta l’elemento di connessione 5 al mozzo ruota (i.e. la campana). La campana può essere realizzata di pezzo con la porzione anulare di fissaggio (come illustrato nelle Figure allegate) oppure essere realizzata a parte e, quindi, fissata attraverso opportuni elementi di collegamento alla porzione di fissaggio.

In accordo ad una soluzione realizzativa preferita, almeno la fascia di frenatura 2 del disco 1 à ̈ realizzata in alluminio o lega di alluminio. Il rivestimento protettivo 3 qui descritto à ̈, infatti, particolarmente adatto ad essere accoppiato a basi in alluminio o leghe di alluminio, come sarà ripreso nel seguito.

Vantaggiosamente, la porzione anulare di fissaggio 4 può essere realizzata in alluminio o lega di alluminio, come la fascia di frenatura, oppure in un altro materiale adatto. Anche la campana 5 può essere realizzata in alluminio (o lega di alluminio) oppure in un altro materiale adatto. In particolare, tutto il disco (i.e. fascia di frenatura, porzione di fissaggio e campana) può essere realizzato in alluminio o lega di alluminio.

Preferibilmente, la fascia di frenatura 2 Ã ̈ realizzata per fusione di alluminio o lega di alluminio. Analogamente, quando realizzate in alluminio o lega di alluminio, la porzione di fissaggio e/o la campana possono essere realizzate per fusione.

In accordo a possibili forme realizzative alternative, la fascia di frenatura 2 del disco 1 può essere realizzata in ghisa grigia o acciaio in alternativa all’alluminio o leghe di alluminio. Analogamente, anche la porzione anulare di fissaggio e/o la campana possono essere realizzate in ghisa grigia o acciaio. In particolare, tutto il disco (i.e. fascia di frenatura, porzione di fissaggio e campana) può essere realizzato in ghisa grigia o acciaio.

La porzione anulare di fissaggio può essere realizzata in corpo unico con la fascia di frenatura (come illustrato nelle Figure allegate) oppure essere realizzata come un corpo a parte, meccanicamente collegato alla fascia di frenatura.

Preferibilmente, la fase di deposizione dei componenti del rivestimento in forma particellare con tecnica HVOF Ã ̈ preceduta da una fase di preparazione della superficie su cui deve essere realizzato il rivestimento protettivo. In particolare, la fase di preparazione della superficie consiste in una pulizia della superficie con solventi atti a rimuovere olio o sporcizia. Preferibilmente, la fase di preparazione non comprende azioni abrasive sulla superficie del disco, ad esempio per sabbiatura o levigatura.

Come già anticipato, il materiale in forma particellare à ̈ depositato sul disco con tecnica HVOF.

HVOF à ̈ una tecnica di deposizione a spruzzo da polveri. Si tratta di una tecnica nota nel settore e non sarà quindi descritta nel dettaglio. La tecnica HVOF utilizza un dispositivo di spruzzo dotato di una camera di miscelazione e di combustione e di un ugello di spruzzo. Alla camera vengono alimentati ossigeno e combustibile. Il gas di combustione caldo che si forma a pressioni prossime a 1 MPA attraversa l’ugello convergente-divergente il materiale in polvere raggiungendo velocità ipersoniche (i.e. superiori MACH 5). Il materiale in polvere da depositare viene iniettato nel flusso di gas caldo, dove fonde rapidamente e viene accelerato a velocità dell’ordine di 1000 m/s. Una volta impattato sulla superficie di deposizione, il materiale fuso si raffredda rapidamente e grazie all’impatto ad elevata energia cinetica forma una struttura molto densa e compatta.

Come già anticipato, il rivestimento (realizzato depositando i componenti in forma particellare con tecnica HVOF) à ̈ costituito dall’80 al 90% in peso di carburo di tungsteno (WC), dall’8% al 12% in peso di cobalto (Co) e dal 2% al 6% in peso di cromo (Cr).

La combinazione della tecnica di deposizione HVOF e dei componenti chimici utilizzati per la formazione del rivestimento consente di ottenere un rivestimento protettivo dotato di elevata forza di legame, che garantisce un elevato grado di ancoraggio sull’alluminio o sulla lega di alluminio. L’assenza di nichel riduce notevolmente (rispetto alle soluzioni di tecnica nota) il rischio di distaccamento del rivestimento dalla base in alluminio o lega di alluminio.

Vantaggiosamente il materiale particellare con cui à ̈ realizzato il rivestimento non contiene nichel (Ni), preferibilmente neppure in forma di tracce. Si à ̈, infatti, potuto rilevare che una delle cause principali del distaccamento dei tradizionali rivestimenti protettivi da dischi in alluminio o lega di alluminio à ̈ la presenza di nichel nel rivestimento protettivo.

Vantaggiosamente il materiale particellare con cui à ̈ realizzato il rivestimento non contiene carbonio libero (C), preferibilmente neppure in forma di tracce. Si à ̈, infatti, potuto rilevare che nel caso di applicazione del rivestimento con tecniche di plasma spray una seconda causa del distaccamento dei tradizionali rivestimenti protettivi da dischi in alluminio o lega di alluminio à ̈ la presenza di carbonio libero nel rivestimento protettivo. Il carbonio tende, infatti, a bruciare, combinandosi con l’ossigeno inglobato nel rivestimento protettivo in via di formazione. Ciò porta alla formazione di microbolle all’interno del rivestimento, le quali possono impedire una adeguata adesione del rivestimento sul disco, favorendone il distacco.

Il rivestimento presenta, inoltre, un’elevata resistenza all’usura. Prove sperimentali condotte comparando un disco freno secondo l’invenzione con un disco tradizionale in ghisa grigia hanno evidenziato che il disco secondo l’invenzione ha una durata sensibilmente superiore a quello tradizionale a parità di condizioni di prova. Il peso del disco in alluminio, a parità di dimensioni, à ̈ circa la metà di un disco in ghisa grigia.

Preferibilmente, il materiale in forma particellare à ̈ costituito da 86% in peso di carburo di tungsteno, da 10% in peso di cobalto e da 4% in peso di cromo.

Questa particolare composizione consente di ottenere i migliori risultati in termini di resistenza all’usura e capacità di adesione sull’alluminio.

Come sarà ripreso nel seguito della descrizione, queste caratteristiche di resistenza del rivestimento (e quindi in particolare di resistenza all’usura del disco 1) sono esaltate sinergicamente dall’uso combinato con gli elementi di attrito oggetto della presente invenzione, che saranno descritti in dettaglio più avanti.

Preferibilmente, la granulometria delle particelle del materiale particellare usato per realizzare il rivestimento protettivo 3 del disco 1 à ̈ compresa tra 5 e 40 Î1⁄4m. La scelta di tale intervallo di valori consente di conferire al rivestimento 3 caratteristiche elevate di densità, durezza e limitata porosità.

Il rivestimento protettivo 3 copre almeno una delle due superfici di frenatura 2a, 2b della fascia di frenatura 2. Preferibilmente, come illustrato nella Figura 2, il disco 1 Ã ̈ dotato di un rivestimento protettivo 3 che copre entrambe le superfici di frenatura 2a e 2b della fascia di frenatura 2.

In particolare, il rivestimento 3 può coprire solo la fascia di frenatura, su una singola superficie di frenatura oppure su entrambe.

In accordo a soluzioni realizzative non illustrate nelle Figure allegate, il rivestimento protettivo 3 può estendersi anche ad altre parti del disco 1 come la porzione anulare di fissaggio 4 e la campana 5, fino a coprire tutta la superficie del disco 1. In particolare, il rivestimento può coprire – in aggiunta alla fascia di frenatura – solo la porzione di fissaggio o solo la campana. La scelta viene dettata da ragioni essenzialmente estetiche, per avere un’omogeneità di colorazione e/o finitura su tutto il disco o tra alcune porzioni di esso.

Preferibilmente, il rivestimento protettivo ha uno spessore compreso tra 20 Î1⁄4m e 100 Î1⁄4m . La scelta di tale intervallo di valori consente di raggiungere un compromesso ottimale tra resistenza all’usura del rivestimento e costo del processo.

Vantaggiosamente, la deposizione del materiale particellare per la formazione del rivestimento può essere effettuata in modo differenziato sulla superficie del disco almeno in termini di spessore del rivestimento.

Preferibilmente, il rivestimento protettivo 3 realizzato sulla fascia di frenatura 2 ha uno spessore superiore rispetto a quello realizzato su altre porzioni del disco. Il rivestimento in corrispondenza di porzioni differenti da quelle della fascia di frenatura può avere spessori compresi tra 0 e 30 Î1⁄4m. In corrispondenza della fascia di frenatura, il rivestimento protettivo può essere realizzato con lo stesso spessore nelle due superfici frenanti contrapposte. Possono essere previste soluzioni alternative in cui il rivestimento à ̈ realizzato differenziando gli spessori differenti tra le due superfici frenanti della fascia frenante.

In accordo ad una forma di realizzazione particolarmente preferita dell’invenzione, la fase di deposizione del rivestimento comprende due o più passaggi distinti di deposizione del materiale particellare sulla medesima superficie per formare il rivestimento protettivo.

Più in dettaglio, tale fase di deposizione comprende: - un primo passaggio di deposizione del materiale in forma particellare per creare uno strato di base del rivestimento direttamente sul disco; ed

- un secondo passaggio di deposizione del materiale in forma particellare per creare uno strato di finitura sullo strato di base.

La suddivisione in due o più passaggi della fase di deposizione consente in particolare di differenziare almeno la granulometria del materiale particellare utilizzato nei diversi passaggi. Ciò rende più flessibile la fase di deposizione.

Vantaggiosamente, il materiale particellare depositato con il primo passaggio di deposizione ha una granulometria superiore rispetto a quello depositato con il secondo passaggio di deposizione. In particolare, il materiale particellare depositato con il primo passaggio di deposizione ha una granulometria compresa tra 30 e 40 Î1⁄4m, mentre il materiale particellare depositato con il secondo passaggio di deposizione ha una granulometria compresa tra 5 e 20 Î1⁄4m.

La realizzazione del rivestimento con due distinti passaggi di deposizione, utilizzando una granulometria più grossolana per la formazione dello strato base e una granulometria più fine per la formazione dello strato di finitura, consente di ottenere un rivestimento che già al termine della deposizione ha le caratteristiche di finitura superficiale volute, senza la necessità di rettificare e/o eseguire superficialmente altre operazioni di finissaggio per il rivestimento. Le particelle depositate con il secondo passaggio vanno a riempire le rugosità grossolane superficiali dello strato base. Vantaggiosamente, il livello di finitura superficiale del rivestimento può essere regolata regolando la granulometria delle particelle depositate con il secondo passaggio.

In particolare, utilizzando per il primo passaggio particelle con granulometria di 30 e 40 Î1⁄4m e per il secondo passaggio particelle con granulometria di 5 e 20 Î1⁄4m, il rivestimento protettivo ha in corrispondenza dello strato di finitura una rugosità superficiale Ra compresa tra 2,0 e 3,0 Î1⁄4m.

Complessivamente, la combinazione della tecnica di deposizione HVOF del materiale particellare, dei componenti chimici utilizzati e delle modalità di deposizione a più passaggi consente di ottenere un rivestimento con un livello di rugosità superficiale limitato, particolarmente adatto ai fini di utilizzo del disco freno 1.

Preferibilmente, lo strato di base ha uno spessore compreso tra 2/4 e 3/4 dello spessore totale del rivestimento, mentre lo strato di finitura ha uno spessore compreso tra 1/4 e 2/4 dello spessore totale del rivestimento.

Il disco freno 1 sopra descritto coniuga leggerezza (grazie all’uso di alluminio o lega di alluminio), resistenza all’usura (grazie all’utilizzo della descritta miscela di componenti) e durata nel tempo. In particolare, il disco 1 à ̈ dotato di un rivestimento protettivo (che copre almeno la fascia di frenatura) avente:

- una elevata forza di adesione, che garantisce un elevato grado di ancoraggio sul disco;

- alta resistenza all’usura;

- limitato livello di rugosità superficiale;

- alta densità;

- durezza elevata; e

- limitata porosità.

In particolare, l’assenza di nichel riduce sensibilmente il rischio di distaccamento del rivestimento dalla base nel caso in cui sia realizzata in alluminio o lega di alluminio.

Il disco freno 1 risulta inoltre economico da realizzare.

Secondo l’invenzione, ciascuno degli elementi di attrito (che in particolare sono in forma di pastiglie) comprende una porzione di attrito costituita:

- da 10% a 40% in peso di materiali abrasivi;

- da 8% a 40% in peso di lubrificanti;

- da 5 a 30% in peso di fibre metalliche;

- da 6% a 18% in peso di legante organico;

- da 10% al 20% in peso di riempitivi inorganici;

- da riempitivi organici per la percentuale in peso restante.

Preferibilmente, la porzione di attrito à ̈ costituita da 25% a 30% in peso di materiali abrasivi, da 25% a 35% in peso di lubrificanti, da 15 a 20% in peso di fibre metalliche, da 8% a 15% in peso di legante organico e da 10% al 20% in peso di riempitivi inorganici, il restante essendo costituito da riempitivi organici.

In accordo ad una soluzione realizzativa particolarmente preferita, i materiali abrasivi sono in forma di particelle aventi una granulometria non superiore a 60 µm. La scelta di utilizzare particelle di abrasivi con la suddetta granulometria à ̈ risultato essere particolarmente importante per raggiungere un equilibrio tra prestazioni tribologiche e usura del disco 1.

Preferibilmente, i materiali abrasivi comprendono particelle di allumina e/o di periclasio.

In accordo ad una forma realizzativa particolarmente preferita, l’allumina e il periclasio sono presenti entrambi nella porzione di attrito. In particolare, il periclasio ha una granulometria più elevata dell’allumina, ad esempio una granulometria di circa 40Î1⁄4m per il periclasio e di circa 30Î1⁄4m per l’allumina. In accordo ad una soluzione realizzativa particolarmente preferita, i lubrificanti sono in forma di particelle aventi una granulometria compresa tra 350Î1⁄4m e 750Î1⁄4m.

Preferibilmente, i lubrificanti comprendono grafite e/o coke.

In accordo ad una forma realizzativa particolarmente preferita, la grafite e il coke sono presenti entrambi nella porzione di attrito. In particolare, la grafite ha una granulometria più elevata del coke, ad esempio una granulometria di circa 600 Î1⁄4m per la grafite e di circa 400 Î1⁄4m per il coke.

Preferibilmente, le fibre metalliche comprendono fibre in rame e/o in ferro. In modo particolarmente preferito, la porzione di attrito comprende sia fibre in rame sia fibre in ferro.

Preferibilmente, la percentuale in peso di fibre di rame nonà ̈ superiore al 5% in peso. In questo caso particolare la percentuale in peso di fibre in ferro à ̈ superiore al 5%.

Nella porzione di attrito può essere previsto anche ferro spugnoso – in combinazione o alternativa alle fibre in ferro.

Preferibilmente, il legante organico à ̈ costituito da resina fenolica.

Preferibilmente, i riempitivi inorganici comprendono barite e/o vermiculite. In modo particolarmente preferito, la porzione di attrito comprende sia barite sia vermiculite. In particolare, la barite à ̈ presente con un percentuale in peso circa doppia di quella della vermiculite. Ad esempio, la barite à ̈ presente per circa il 10% in peso, mentre la vermiculite per circa il 5% in peso.

Preferibilmente, i riempitivi organici comprendono gomma e/o fibra aramidica. In modo particolarmente preferito, la porzione di attrito comprende sia gomma (preferibilmente in particolato di dimensioni attorno a 1mm), sia fibra aramidica. In particolare, la gomma à ̈ presente con un percentuale in peso almeno doppia di quella della vermiculite. Ad esempio, la gomma à ̈ presente per circa il 4% in peso, mentre la fibra aramidica per circa l’1% in peso.

Preferibilmente, la porzione di attrito di un elemento di attrito viene realizzato secondo il seguente processo:

a) ottenere una miscela il più possibile omogenea dei componenti: materiali abrasivi; lubrificanti; fibre metalliche; legante organico; riempitivi inorganici; e riempitivi organici;

b) pressare la miscela in uno stampo caldo fino ad ottenere una porzione di attrito preformata. Dopo 3 cicli iniziali di degasaggio, la pressione deve essere applicata in modo continuativo allo scopo di completare la polimerizzazione della resina organica

c) sottoporre la porzione di attrito ad un trattamento di post-curing in un forno statico ad una temperatura tra 200°C e 280°C ed eventuali altri trattamenti termici superficiali atti a migliorare caratteristiche tribologiche del materiale d’attrito da sottoporre a finitura superficiale la porzione di attrito.

Nel caso particolare in cui l’elemento di attrito sia in forma di pastiglia, la porzione di attrito può essere associata ad una piastrina di supporto (che in particolare à ̈ realizzata in materiale metallico o plastico) già nella fase b) di stampaggio (pressatura), oppure può essere associata alla piastrina di supporto dopo la fase b) di stampaggio (pressatura) per incollaggio o collegamento meccanico.

In particolare, la fase b) di stampaggio à ̈ condotta a 150°C e a pressione predeterminata.

In accordo ad una soluzione realizzativa particolarmente preferita, la fase di b) di stampaggio à ̈ condotta con pressioni non inferiori a 250 Kg/cm2, e preferibilmente non inferiori a 550 Kg/cm2.

In particolare, la fase b) di stampaggio à ̈ condotta a temperature comprese tra 130°C e 170°C.

Vantaggiosamente, la fase b) di stampaggio à ̈ condotta per un periodo di tempo non inferiore a 5 minuti per consentire la polimerizzazione del legante organico. La porzione di attrito ha una densità compresa tra 2 e 3 g/cm3. Preferibilmente La porzione di attrito di ciascun elemento di attrito ha una densità compresa tra 2,20 e 2,60 g/cm3.

La porzione di attrito ha una porosità non superiore al 10%.

Il materiale di attrito secondo l’invenzione à ̈ contraddistinto da una minore densità e da una minore porosità rispetto ai materiali d’attrito standard. Generalmente, i materiali di attrito tradizionali hanno, infatti, una densità compresa tra 2,5 e 3,5 Kg/cm3 e una porosità compresa tra 10% e 25%.

La minore densità à ̈ legata in particolare al fatto che il materiale di attrito secondo l’invenzione ha un minore contenuto in peso di componenti ad alta densità, in particolare metalli e barite, rispetto ai materiali tradizionali.

La bassa porosità à ̈ dovuta probabilmente alle elevate pressione di stampa nella fase di stampaggio previste nella presente invenzione, maggiori rispetto agli standard produttivi, che normalmente prevedono, invece, valori compresi tra 100 e 200 Kg/cm2.

Vantaggiosamente, la porzione di attrito di ciascun elemento di attrito ha un modulo a rottura maggiore di 20 MPa.

Vantaggiosamente, la porzione di attrito di ciascun elemento di attrito ha un modulo elastico maggiore di 8 GPa.

Il materiale di attrito secondo l’invenzione ha pertanto caratteristiche meccaniche elevate, che si collocano sui valori massimi o maggiori rispetto a quanto presente sul mercato.

Il modulo di rottura à ̈ leggermente maggiore della media dei materiali di attrito tradizionali (valori compresi tra 15 e 20 MPa), mentre il modulo elastico à ̈ sensibilmente maggiore. In altri termini ciò indica che il materiale di attrito secondo l’invenzione à ̈ un materiale più rigido. I materiali tradizionali hanno, infatti, generalmente per il modulo elastico valori compresi tra 4 e 8 GPa.

Generalmente, le fibre metalliche sono utilizzate nei materiali di attrito per aumentarne le caratteristiche meccaniche. Il materiale di attrito secondo l’invenzione presenta superiori caratteristiche meccaniche (modulo di rottura e modulo elastico) pur con un minore contenuto in peso di fibre metalliche. Ciò può essere imputato alla minore porosità del materiale secondo l’invenzione.

Il freno a disco secondo la presente invenzione caratterizzato dalla combinazione del disco freno 1 e degli elementi di attrito sopra descritti ha mostrato un buon accoppiamento tribologico, con prestazioni medie e usure molto limitate.

Si descrivono di seguito gli esiti di prove sperimentali condotte.

Sono stati sottoposti a prove banco i seguenti sistemi: - disco freno 1 in alluminio con rivestimento protettivo secondo l’invenzione e pastiglie freno con porzione di attrito realizzata con il materiale secondo l’invenzione (in seguito sistema A);

- disco freno 1 in alluminio con rivestimento protettivo secondo l’invenzione e pastiglie freno tradizionali (in seguito sistema B);

- disco freno in alluminio non rivestito e pastiglie freno con porzione di attrito realizzata con il materiale secondo l’invenzione (in seguito sistema C). In particolare, il rivestimento protettivo à ̈ stato realizzato in accordo alla forma realizzativa preferita precedente descritta. Anche il materiale di attrito à ̈ stato realizzato in accordo alla forma realizzativa preferita precedente descritta.

Come materiale d’attrito di riferimento à ̈ stato utilizzato il materiale standard di serie su vettura con disco in ghisa. Tale materiale à ̈ caratterizzato da porosità e proprietà meccaniche entro gli intervalli classici sopra citati.

Sono state effettuate due tipi di prove: rodaggio e prove AK master al banco dinamico.

Il rodaggio à ̈ stato condotto con la seguente procedura: 100 frenate; velocità iniziale 60 km/h e velocità finale 10 km/h; Temperatura iniziale del disco = 60°C; decelerazione 0.3g; senso rotazione avanti. La prova di rodaggio à ̈ stata finalizzata a verificare l’efficienza in condizioni di disco - pastiglie nuovi in termini di coefficiente d’attrito. Si à ̈ poi verificata l’usura del disco e delle pastiglie. Si à ̈ infine effettuata una verifica dell’aspetto visivo del disco.

Nella Tabella 1 sono riportati i risultati al termine della prova di rodaggio. Nelle Figure 3, 4 e 5 sono riportate fotografie relative allo stato delle fasce di frenatura dopo la prova di rodaggio rispettivamente del sistema A, B e C. Da evidenziare che al termine della prova di rodaggio, il sistema C presentava pessime condizioni del disco e l’usura completa delle pastiglie.

Usura

PROVA Î1⁄4 Aspetto Usura

disco Esito RODAGGIO finale disco pastiglie

(g)

Sistema A Buono

0,25 0 1 positivo invenzione) (fig 3)

Buono

Sistema B 0,42 0 1 positivo (fig. 4)

Fasce 60

Sistema C 0,40 101 negativo frenatura Completamente

fortemente usurate

rigate

(fig. 5)

Tabella 1

Le prove AK master al banco dinamico sono state condotte secondo la modalità SAE-J2522 con modifiche per la limitazione della temperatura max

La prova Ak master à ̈ stata finalizzata a verificare le prestazioni dell’impianto in diverse condizioni di

utilizzo (temperature e carichi energetici). Si à ̈ poi verificata l’usura del disco e delle pastiglie. Si à ̈

infine effettuata una verifica dell’aspetto visivo del disco.

Nella Tabella 2 sono riportati i risultati al termine della prova AK master. Il sistema C non à ̈ stato

sottoposto alla prova a causa delle pessime condizioni del disco e l’usura completa delle pastiglie dopo la

prova di rodaggio. Nelle Figure 6 e 7 sono riportate

fotografie relative allo stato delle fasce di frenatura dopo la prova di rodaggio rispettivamente del sistema A e B. Da evidenziare che al termine della prova AK

master, il sistema B presentava criccature del rivestimento al termine della prova.

PROVA Î1⁄4 Usura Aspetto Usura Esito AK MASTER medio disco disco pastiglie

(g)

Sistema A Buono

0,28 1 0 positivo invenzione) (fig 6)

Criccatura

Sistema B 0,34 0 rivestimento 2 negativo (fig. 7)

Prova non effettuata a causa delle pessime Sistema C condizioni del disco e l’usura completa delle pastiglie dopo la prova di rodaggio Tabella 2

Le prove hanno evidenziato che il disco freno secondo l’invenzione (sistema A) mostra un buon accoppiamento tribologico tra disco e pastiglie, con prestazioni medie (il valore medio di Î1⁄4 à ̈ soddisfacente) e usure molto limitate. In particolare rispetto al sistema B, il sistema A secondo l’invenzione presenta un livello di usura leggermente superiore per il disco, ma un livello di usura decisamente minore per le pastiglie.

In particolare si osserva che l’accoppiamento tra disco 1 e pastiglie secondo l’invenzione (sistema A) à ̈ quello che offre una migliore resa in termini di resistenza all’usura.

Infatti nel caso del sistema C, i.e. nel caso di accoppiamento delle pastiglie secondo l’invenzione con un disco in alluminio non rivestito, si osserva come le pastiglie secondo l’invenzione presentino un comportamento scadente, già dopo la prova di rodaggio. Le pastiglie sono infatti risultate completamente consumate.

Nel caso del sistema B, i.e. nel caso di accoppiamento di pastiglie tradizionali con un disco 1 in alluminio secondo l’invenzione con rivestimento protettivo, si osserva come al termine delle prove AK master il disco 1 pur non risultando usurato, presenti tuttavia criccature nel rivestimento, che lo espongono in breve tempo ad un distaccamento dello stesso e quindi ad un rapido decadimento delle prestazioni.

Solo nel caso del sistema A (accoppiamento tra disco 1 e pastiglie entrambi secondo l’invenzione) si ha un buon compromesso tra usura del disco (ridotta) e delle pastiglie (assente) e mantenimento dell’integrità del rivestimento.

Come si può apprezzare da quanto descritto, il disco freno secondo l’invenzione consente di superare gli inconvenienti presentati nella tecnica nota.

Il freno a disco secondo la presente invenzione caratterizzato dalla combinazione del disco freno 1 e degli elementi di attrito sopra descritti ha mostrato un buon accoppiamento tribologico, con prestazioni medie e usure molto limitate.

In particolare, l’accoppiamento secondo l’invenzione valorizza la prestazioni dei singoli componenti soggetti ad usura (i.e. disco e pastiglie).

In particolare, il disco freno 1 secondo l’invenzione coniuga leggerezza (nel caso sia realizzato in alluminio o lega di alluminio), resistenza all’usura e durata nel tempo, se utilizzato in combinazione con le pastiglie secondo l’invenzione.

In particolare, il disco 1 Ã ̈ dotato di un rivestimento protettivo (che copre almeno la fascia di frenatura) avente:

- una elevata forza di adesione, che garantisce un elevato grado di ancoraggio sul disco;

- alta resistenza all’usura;

- capacità di lavorare a temperature elevate (à ̈ stato testato fino a 500°C);

- limitato livello di rugosità superficiale;

- alta densità;

- durezza elevata; e

- limitata porosità.

L’assenza di nichel riduce sensibilmente il rischio di distaccamento del rivestimento, nel caso in cui la base sia in alluminio o lega di alluminio.

Il disco freno 1 risulta inoltre economico da realizzare.

Il materiale di attrito secondo l’invenzione presenta proprietà fisiche (densità e porosità) superiori a quelle dei materiali tradizionali.

Il materiale di attrito secondo l’invenzione presenta anche proprietà meccaniche (modulo a rottura e modulo elastico) superiori a quelle dei materiali tradizionali, pur avendo un contenuto in peso più basso di fibre metalliche e di barite.

Un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare numerose modifiche e varianti alle pinze di freno a disco sopra descritte, tutte peraltro contenute nell’ambito dell’invenzione quale definito dalle seguenti rivendicazioni.

Claims (22)

1. RIVENDICAZIONI 1. Freno a disco comprendente: - un disco freno (1), comprendente una fascia di frenatura (2) dotata di due superfici di frenatura contrapposte (2a, 2b), ciascuna delle quali definisce almeno parzialmente una delle due facce principali del disco; - elementi di attrito, comandabili a cooperare con dette superfici di frenatura (2a, 2b) determinando per attrito un’azione di frenatura, caratterizzato dal fatto che il disco (1) à ̈ dotato di un rivestimento protettivo (3) che copre almeno una delle due superfici di frenatura della fascia di frenatura, il rivestimento essendo costituito dall’80 al 90% in peso di carburo di tungsteno, dall’8% al 12% in peso di cobalto e dal 2% al 6% in peso di cromo, detto rivestimento essendo ottenuto depositando sul disco i componenti del rivestimento in forma particellare con tecnica plasma spray HVOF(High Velocity Oxygen Fuel), e dal fatto che ciascun elemento di attrito comprende una porzione di attrito costituita da 10% a 40% in peso di materiali abrasivi, da 8% a 40% in peso di lubrificanti, da 5 a 30% in peso di fibre metalliche, dal 6% al 18% in peso di legante organico e da 10% al 20% in peso di riempitivi inorganici, il restante essendo costituito da riempitivi organici, detta 5 porzione di attrito avendo una densità compresa tra 2 e 3 g/cm3 e una porosità non superiore al 10%.
2. 2. Freno secondo la rivendicazione 1, in cui il rivestimento protettivo (3) Ã ̈ costituito da 86% in peso di carburo di tungsteno, da 10% in peso di cobalto e da 10 4% in peso di cromo.
3. 3. Disco freno secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui il rivestimento protettivo (3) Ã ̈ ottenuto depositando sul disco detti componenti in forma particellare con una granulometria compresa tra 5 e 40 15 Î1⁄4m.
4. 4. Disco freno secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui il rivestimento protettivo ha uno spessore compreso tra 20 Î1⁄4m e 100 Î1⁄4m.
5. 5. Disco freno secondo una o più delle rivendicazioni 20 precedenti, in cui il rivestimento protettivo à ̈ composto da uno strato di base, che à ̈ associato direttamente al disco ed à ̈ realizzato con un primo passaggio di deposizione del materiale in forma particellare, e da uno strato di finitura, che à ̈ 25 disposto sullo strato di base ed à ̈ realizzato con un secondo passaggio di deposizione del materiale particellare, il materiale in forma particellare depositato con il primo passaggio di deposizione avendo una granulometria superiore rispetto a quello 5 depositato con il secondo passaggio di deposizione.
6. 6. Disco freno secondo la rivendicazione 5, in cui il rivestimento protettivo ha in corrispondenza dello strato di finitura una rugosità superficiale Ra compresa tra 2,0 e 3,0 Î1⁄4m. 10
7. 7. Disco freno secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui il rivestimento presenta spessori differenti in aree differenti della superficie del disco.
8. 8. Disco freno secondo una o più delle rivendicazioni 15 precedenti, in cui detta fascia di frenatura (2) à ̈ realizzata in alluminio o lega di alluminio.
9. 9. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui tutto il disco à ̈ realizzato in alluminio o lega di alluminio. 20
10. 10. Disco freno secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui il rivestimento protettivo (3) copre tutta la superficie del disco (1).
11. 11. Disco secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui la porzione di attrito di ciascun 25 elemento di attrito ha un modulo a rottura in prove di flessione a 3 punti maggiore di 20 MPa.
12. 12. Disco secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui la porzione di attrito di ciascun elemento di attrito ha un modulo elastico in prove di 5 flessione a tre punti maggiore di 8 GPa.
13. 13. Disco secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui i materiali abrasivi sono in forma di particelle aventi una granulometria non superiore 60 µm. 10
14. 14. Disco secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui i materiali abrasivi comprendono particelle di allumina e/o di periclasio.
15. 15. Disco secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui i lubrificanti sono in forma di 15 particelle aventi una granulometria compresa tra 350Î1⁄4m e 750Î1⁄4m.
16. 16. Disco secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui i lubrificanti comprendono grafite e/o coke. 20
17. 17. Disco secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui le fibre metalliche comprendono fibre in rame e/o in ferro.
18. 18. Disco secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui il legante organico à ̈ resina 25 fenolica.
19. 19. Disco secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui i riempitivi inorganici comprendono barite e/o vermiculite.
20. 20. Disco secondo una o più delle rivendicazioni 5 precedenti, in cui i riempitivi organici comprendono gomma e/o fibra aramidica.
21. 21. Disco secondo una o più delle rivendicazione precedenti, in cui la porzione di attrito di ciascun elemento di attrito à ̈ ottenuta per stampaggio a 10 pressioni non inferiori a 250 Kg/cm2, e preferibilmente non inferiore a 550 Kg/cm2.
22. 22. Disco secondo una o più delle rivendicazione precedenti, in cui la porzione di attrito di ciascun elemento di attrito à ̈ sottoposta ad un trattamento 15 termico di polimerizzazione del legante organico per un periodo di tempo non inferiore a 5 minuti.