ITUB20151291A1

ITUB20151291A1 - Dispositivo frenante per veicoli

Info

Publication number: ITUB20151291A1
Application number: ITUB2015A001291A
Authority: IT
Inventors: Stefano Serra; Luca Martinotto; Xicola Augusti Sin; Fabrizio Merlo; Paolo Galimberti
Original assignee: Itt Italia Srl
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2016-11-28
Also published as: JP2018524524A; CN107850149B; EP3303869A1; EP3303869B1; MX2017015080A; JP6791883B2; WO2016189122A1; ES2855750T3; CN107850149A

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione ? relativa ad un dispositivo frenante sensorizzato per veicoli.

E? noto dalla domanda di brevetto italiana n. T02013A307 un dispositivo frenante per veicoli, comprendente un elemento di supporto, un blocco di materiale di attrito supportato dall?elemento di supporto, ed uno o pi? sensori piezoceramici supportati dall?elemento di supporto e interposti tra il blocco di materiale di attrito e l?elemento metallico di supporto.

I sensori piezoceramici rilevano, durante l?utilizzo su veicolo, le forze che vengono scambiate in uso tra il blocco di materiale di attrito (pastiglie freno o ceppi freno per i veicoli ancora dotati di freni a tamburo) e l?elemento da frenare, disco o tamburo, vincolato alla ruota.

Questo comporta la possibilit? di rilevare e/o prevedere la generazione di numerosi inconvenienti, che possono andare da un anomalo consumo delle pastiglie freno, ad esempio perch? queste ?toccano? il disco anche quando il freno non viene azionato, ad esempio a causa di una cattiva registrazione delle pinze freno, piuttosto che rumorosit?, vibrazioni e fischi indesiderati durante la frenata.

Un dispositivo frenante di questo tipo pu? essere vulnerabile alle temperature e rispettivamente alle pressioni a cui viene sottoposto durante il processo di produzione e/o sviluppate durante la frenata, anche superiori a 200 C e rispettivamente 400 kg/cm , con conseguente ricadute negative in termini di prestazioni, affidabilit? e durata.

Scopo della presente invenzione ? quello di fornire un dispositivo frenante sensorizzato per veicoli che nell?intervallo di temperature di impiego ed in particolare fino a temperature di impiego di almeno 200?C sia in grado di resistere alle sollecitazioni di natura termica, consenta una adeguata trasmissione ai sensori piezoelettrici delle sollecitazioni meccaniche da rilevare allo stesso tempo proteggendo adeguatamente i suoi componenti da sollecitazioni meccaniche eccessive che potrebbero causare danni o malfunzionamenti.

Altro scopo dell?invenzione ? quello di fornire un dispositivo frenante sensorizzato per veicoli in grado di assicurare una risposta dei sensori piezoelettrici stabile al variare della temperatura nell?intervallo delle temperature di impiego.

Non ultimo scopo dell?invenzione ? quello di fornire un dispositivo frenante sensorizzato per veicoli robusto e resistente alle elevate temperature per incrementare la flessibilit? di impiego in applicazioni non solo per veicoli leggeri e industriali ma anche per veicoli pesanti (Camion, BUS ecc.), dove le temperature operative posso estendersi anche oltre 600 ?C.

Questi ed altri scopi sono conseguiti da un dispositivo frenante per veicoli, comprendente un elemento di supporto supportante un blocco di materiale di attrito, un circuito elettrico elettricamente isolato, ed almeno un sensore piezoceramico interposto tra il blocco di materiale di attrito e l?elemento di supporto, detto circuito elettrico essendo connesso a detto almeno un sensore piezoceramico per la raccolta di un segnale elettrico di risposta emesso da detto almeno un sensore piezoceramico quando detto dispositivo frenante ? assoggettato ad una forza di compressione esterna, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un elemento protettivo avente uno o pi? strati di materiale a base di resina applicato a protezione almeno di detto almeno un sensore piezoceramico, detto materiale a base di resina essendo scelto tra materiali aventi propriet? meccaniche sostanzialmente stabili in un intervallo di temperatura compreso tra -40?C e almeno 200?C cos? da limitare o annullare la variazione del segnale di risposta al variare della temperatura sperimentata da detto almeno un sensore piezoceramico (4) in detto intervallo di temperatura.

Tali propriet? meccaniche comprendono almeno il modulo elastico e/o il modulo di taglio.

Vantaggiosamente detto materiale a base di resina ? elettricamente isolante.

Vantaggiosamente detto materiale a base di resina ? elettricamente e termicamente isolante.

Vantaggiosamente lo spessore di detto elemento protettivo ? non inferiore allo spessore di detto sensore piezoceramico cos? da garantire adeguata protezione meccanica ed allo stesso tempo adeguate propriet? di isolamento termico ed elettrico.

Per spessore del sensore piezoceramico si intende la sua dimensione in direzione ortogonale al suo piano di appoggio all? elemento di supporto.

Vantaggiosamente detto materiale a base di resina ha una temperatura di reticolazione inferiore alla temperatura di Curie del materiale piezoceramico costituente detto sensore piezoceramico. L?elemento di protezione pu? quindi essere applicato senza rischio di danneggiamento del sensore piezoceramico prima o dopo il collegamento elettrico e meccanico di quest?ultimo al circuito elettrico.

Vantaggiosamente detto elemento protettivo presenta propriet? meccaniche tali da limitare la forza trasmessa al sensore piezoceramico quando viene applicata la forza esterna di compressione su detto blocco di materiale di attrito.

Vantaggiosamente detto elemento protettivo ? configurato per indirizzare almeno in parte detta forza di compressione esterna su una zona dell?elemento di supporto circostante detto almeno un sensore piezoceramico.

L?elemento protettivo ha quindi molteplici funzionalit? in quanto opera come protezione meccanica da urti durante la manipolazione nel processo produttivo dell?elemento frenante, come isolante elettrico per il sensore piezoceramico, eventualmente come isolante termico e come limitatore e deflettore della forza trasmessa al sensore piezoceramico.

La scelta di un materiale avente propriet? meccaniche stabili in un ampio intervallo di temperatura permette di avere una risposta stabile dei sensori piezoceramici nello stesso intervallo di temperatura.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un modo di realizzazione non limitativo effettuato a puro scopo esemplificativo e con riferimento alle figure allegate in cui:

la figura 1 che illustra schematicamente una vista sezionata in alzato laterale del dispositivo frenante;

la figura 2 mostra l?andamento del segnale di risposta del sensore piezoceramico impiegato nei test al variare della temperatura della pastiglia freno, in cui l?elemento protettivo del sensore piezoceramico ? costituito da un primo tipo di materiale a base di resina;

la figura 3 mostra l?andamento del modulo di taglio del primo di tipo di materiale a base di resina impiegato nei test in funzione della temperatura;

la figura 4 mostra l?andamento del capacit? del sensore piezoceramico impiegato nei test in funzione della temperatura; la figura 5 mostra l?andamento del segnale di risposta del sensore piezoceramico impiegato nei test al variare della temperatura della pastiglia freno, in cui l?elemento protettivo del sensore piezoceramico ? costituito da un secondo tipo di materiale a base di resina;

la figura 6 mostra una curva che lega la forza sperimentata dal sensore piezoceramico a seguito di applicazione di una forza di compressione esterna F al variare della costante elastica del materiale a base di resina che forma l?elemento protettivo.

Con riferimento alle figure ? indicato nel suo complesso con 1 un dispositivo frenante sensorizzato per veicoli, nell?esempio illustrato una pastiglia freno, destinata ad equipaggiare un impianto frenante di veicolo, noto e non illustrato per semplicit?. Qui e di seguito si far? specifico riferimento ad un dispositivo frenante formato dalla pastiglia freno 1 , ma ? chiaro che quanto si dir? ? applicabile identicamente anche ad un ceppo freno di un freno a tamburo.

La pastiglia freno 1 comprende un elemento di supporto 2, preferibilmente ma non necessariamente metallico e noto come ?backplate?, un blocco di materiale d?attrito 3 supportato dall?elemento 2, ed uno o pi? sensori piezoceramici 4 supportati dall?elemento di supporto 2 ed interposti tra quest?ultimo ed il blocco di materiale di attrito 3.

I sensori piezoeramici 4 sono supportati in rilievo sull?elemento di supporto 2.

? chiaro che nel caso di un ceppo freno si potranno ritrovare elementi corrispondenti a quelli descritti per la pastiglia freno 1, per cui la descrizione che segue ? facilmente trasferibile per un tecnico del ramo all?ottenimento di ceppi freno sensorizzati.

L?elemento di supporto 2 in particolare ? conformato come una piastra piana presentante una prima superficie principale piana 5 destinata in uso ad essere rivolta verso un elemento da frenare, ad esempio un disco freno di veicolo, ed una seconda superficie principale piana 6 parallela alla prima superficie piana principale 5.

Il blocco di materiale d?attrito 3 presenta in particolare una prima superficie piana 7 principale coniugata alla prima superficie piana 5 dell?elemento di supporto 2 ed una seconda superficie piana 8 parallela alla prima superficie piana 7 e destinata in uso al contatto diretto con l?elemento da frenare.

I sensori piezoceramici 4 sono in grado di rilevare le forze che vengono scambiate in uso al contatto tra la pastiglia 1 e l?elemento da frenare grazie alla loro intrinseca capacit? di emettere un segnale elettrico quando assoggettati ad una sollecitazione meccanica.

A tale scopo l?elemento di supporto 2 supporta un circuito elettrico 9 elettricamente isolato presentante dei contatti elettrici a cui sono connessi gli elettrodi dei sensori piezoceramici 4.

Il circuito elettrico 9 raccoglie il segnale elettrico generato senza necessit? di alimentazione elettrica dai sensori piezoceramici 4 quando sono sottoposti ad una sollecitazione meccanica nella direzione di polarizzazione.

Il segnale elettrico emesso dai sensori piezoceramici 4 e raccolto dal circuito elettrico 9 pu? essere elaborato in tempo reale o in un tempo successivo.

I sensori piezoceramici 4 sono realizzati in materiali piezoceramici con temperatura di Curie maggiore di 200?C e sono formati da un corpo preferibilmente cilindrico polarizzato in direzione del suo asse e delimitato da una coppia di opposte facce piane 12 e 13 disposte in uso parallele alle superfici principali piane 5, 6 dell?elemento di supporto 2

Preferibilmente una sola delle facce 12, 13, in particolare quella rivolta verso il circuito elettrico 9, presenta entrambi gli elettrodi di prelievo del segnale elettrico.

II circuito elettrico 9 presenta ramificazioni (non mostrate) opportunamente sagomate per disporre i sensori piezoceramici 4 in posizioni discrete sull?elemento di supporto 2 ed ? altres? munito di un connettore elettrico (non mostrato) integrato nel bordo dell?elemento di supporto 2.

Eventualmente sull?elemento di supporto 2, oltre ai sensori piezoceramici che sono essenzialmente sensori di pressione, possono essere integrati anche uno o pi? sensori di temperatura e/o uno o pi? sensori di forza di taglio elettricamente collegati al circuito elettrico 9.

Il circuito elettrico 9 isolato elettricamente preferibilmente ? realizzato in serigrafia applicata direttamente sull?elemento di supporto 2.

Tutti i sensori integrati nell?elemento di supporto 2 sono installati sul circuito elettrico isolato elettricamente 9 dal lato di quest?ultimo rivolto verso il blocco di materiale d?attrito 3. I sensori cos? integrati nell?elemento di supporto 2 presentano elevata capacit? di misura delle forze agenti sul dispositivo frenante durante la frenata o in generale durante la marcia del veicolo.

Inoltre pu? essere previsto uno strato smorzante (non mostrato) interposto tra il blocco di materiale di attrito 3 e l?elemento di supporto 2.

Lo strato smorzante, se previsto, presenta in particolare una prima superficie principale coniugata alla prima superficie piana 5 dell?elemento di supporto 2 ed una seconda superficie coniugata alla prima superficie piana 7 del blocco di materiale di attrito 3. Vantaggiosamente ciascun sensore piezoceramico 4 ? inglobato in un corrispondente elemento protettivo 16.

L?elemento protettivo 16 comprende uno o pi? strati di materiale a base di resina scelto tra materiali aventi propriet? meccaniche sostanzialmente stabili in un intervallo di temperatura compreso tra -40?C e almeno 200?C cos? da limitare o annullare la variazione del segnale di risposta al variare della temperatura sperimentata dal sensore piezoceramico 4 in questo intervallo di temperatura.

L?espressione ?sostanzialmente stabili? significa, in riferimento ad una grandezza variabile, un valore massimo della grandezza non superiore del 30% e preferibilmente non superiore del 20% al suo valore minimo nell?intervallo di temperatura di riferimento.

L?elemento protettivo 16 ? localizzato sull?elemento di supporto 2 in corrispondenza del sensore piezoceramico 4.

L?elemento protettivo 16 ? realizzato in materiale elettricamente isolante per l?isolamento elettrico del sensore piezoceramico 4. Preferibilmente l?elemento protettivo 16 ? realizzato in materiale anche termicamente isolante.

In particolare ma non necessariamente almeno uno strato di materiale dell? elemento protettivo 16 pu? essere elettricamente e termicamente isolante, oppure pu? essere previsto almeno uno strato elettricamente isolante ed almeno uno strato termicamente isolante.

L?elemento protettivo 16 presenta come vedremo propriet? meccaniche, ed in particolare il modulo elastico, accuratamente scelte anche per limitare la forza trasmessa al sensore piezoceramico 4 quando viene applicata una forza esterna di compressione sul blocco di materiale di attrito 3.

L?elemento protettivo 16 in particolare ? configurato per indirizzare almeno in parte la forza esterna di compressione su una zona dell?elemento di supporto 2 circostante il sensore piezoceramico 4 stesso.

Preferibilmente anche tutti gli altri sensori ed eventualmente anche altri componenti del circuito elettrico 9 presentano un rispettivo elemento protettivo dello stesso tipo sopra descritto.

L?elemento protettivo 16 ingloba interamente il sensore piezoceramico 4 ed ? formato da un semiguscio avente una superficie interna 17 di contatto uniforme diretto o indiretto con la superficie esterna del sensore piezoceramico 4 ed una base 18 di appoggio uniforme diretto o indiretto sull?elemento di supporto 2.

L?elemento protettivo 16 ha preferibilmente la conformazione di una cupola.

La resina che compone l?elemento protettivo 16 preferibilmente ? una resina poliimmidica, o una resina epossidica, o una resina Bismallemidica, o una resina Ciano-Esterica o una loro miscela. Tali resine possono essere o meno caricate con particelle di rinforzo, in particolare in materiale ceramico e/o metallico, ad esempio particelle ceramiche di allumina e/o particelle metalliche di alluminio.

Per valutare l?andamento della risposta del sensore piezoceramico al variare della temperatura in cui si trovano ad operare le pastiglie freni, di seguito ? riportato l?esito di test eseguiti su lotti di pastiglie freni che differiscono per il materiale a base di resina che forma l?elemento protettivo del sensore piezoceramico.

TEST SU PRIMO LOTTO DI PASTIGLIE FRENI

I test sono stati effettuati su dei banchi Dyno standard per misure NVH e dinamometriche. In particolare, le prove sono state effettuate su un primo lotto di pastiglie freni in cui l?elemento protettivo del sensore piezoceramico ? costituito da un materiale a base di resina epossidica commercialmente noto con il nome di Hysol? 9492 prodotto da Loctite?.

Tale materiale a base di resina epossidica prevede un primo componente di resina epossidica caricata con particelle metalliche di alluminio e particelle ceramiche di allumina, ed un secondo componente a base ammidica agente da catalizzatore di reticolazione.

I test consistevano di prove a banco effettuate a differenti valori di pressione da 5 a 40 Bar e con temperature del disco freno controllate nell? intervallo da 50 a 300?C.

La procedura usata ? stata la seguente: sono state fatte 88 applicazioni di frenate da 50 km/h a 2 km/h come da seguente tabella.

Applicazioni di frenate Pressione di frenata [Bar] Temperatura del disco freno [?C] l-l-l-l-l-l-l-l 5-10-15-20-25-30-35-40 50

l-l-l-l-l-l-l-l 5-10-15-20-25-30-35-40 100

l-l-l-l-l-l-l-l 5-10-15-20-25-30-35-40 150

l-l-l-l-l-l-l-l 5-10-15-20-25-30-35-40 200

l-l-l-l-l-l-l-l 5-10-15-20-25-30-35-40 250

l-l-l-l-l-l-l-l 5-10-15-20-25-30-35-40 300

l-l-l-l-l-l-l-l 5-10-15-20-25-30-35-40 250

l-l-l-l-l-l-l-l 5-10-15-20-25-30-35-40 200

l-l-l-l-l-l-l-l 5-10-15-20-25-30-35-40 150

l-l-l-l-l-l-l-l 5-10-15-20-25-30-35-40 100

l-l-l-l-l-l-l-l 5-10-15-20-25-30-35-40 50

Per quanto concerne la temperatura della pastiglia freno, di norma la sua temperatura ? circa la met? di quella del disco freno.

In figura 2 ? mostrato l?andamento del segnale di risposta del sensore piezoceramico al variare della temperatura della pastiglia freno e a un valore di pressione di frenata di 20 Bar. Risultati del tutto analoghi si ottengono per gli altri valori di pressione di frenata.

Durante il test, si ? osservata una chiara attenuazione del segnale gi? a temperature basse/moderate. Si veda nella fig. 2 ad esempio il rapido decadimento nell?intorno dei 75-80 ?C. Per il segnale misurato ? stata rappresentata l?altezza del secondo picco (quello d?uscita dalla frenata) e riportato in funzione della temperatura della pastiglia freno come misurata da una termocoppia a bordo della pastiglia freno. La scelta del secondo picco ? legata soltanto al fatto che essendo legato al rilascio della pressione nel circuito idraulico, risulta essere pi? ripetibile e quindi fornisce risultati meno affetti da errori sperimentali.

L?attenuazione di segnale presente nella fig. 2 ? dovuta principalmente al materiale impiegato per l?elemento protettivo. Si veda a tal proposito in fig. 3 la variazione della caratteristica meccanica (modulo di taglio) del materiale impiegato per l?elemento protettivo nell? intervallo di temperature di interesse. All?attenuazione del segnale vi ? anche un contributo secondario dovuto alla variazione della capacit? del sensore piezoceramico (figura 4) che per? ha un impatto molto inferiore a quello dovuto al materiale impiegato per l?elemento protettivo. Infatti ? chiara la forte correlazione tra la caduta della risposta della pastiglia freno tra 70 e 100 ?C, e la corrispondente caduta delle propriet? meccaniche del materiale dell?elemento protettivo. La dipendenza del sensore piezoceramico dalla temperatura fornisce solo un piccolo contributo, essendo circa costante la caratteristica elettrica e meccanica del piezoceramico nell? intervallo compreso tra 70 e 100 ?C, mentre la variazione ? praticamente lineare e modesta fino a temperature vicine alla temperatura di Curie del sensore piezoceramico.

La conclusione di questo test ? che con il materiale adottato per l?elemento protettivo le temperature massime accessibili che non causano eccessive perdite di segnale proveniente dal sensore sono di circa 70-85 ?C. Chiaramente questo intervallo di temperature che corrisponde a temperature sul disco freno di 170 ?C all? incirca, ? del tutto inaccettabile.

TEST SU SECONDO LOTTO DI PASTIGLIE FRENI

Sono stati intrapresi altri testi utilizzando per ? elemento di protezione un materiale a base di resina epossidica commercialmente noto con il nome di Duralco? 4703 prodotto da Cotronics?. Tale materiale si differenzia dal precedente essenzialmente per la concentrazione di particelle di rinforzo nella resina epossidica e per la previsione di specifici gruppi funzionali nelle catene epossidiche.

I test sono stati effettuati su dei banchi Dyno standard per misure NVH e dinamometriche.

I test consistevano di prove a banco effettuate a differenti valori di pressione da 10 a 40 Bar e con temperature del disco freno controllate nell?intervallo da 50 a 500?C.

La procedura usata ? stata la seguente: sono state fatte applicazioni di frenate da 50 km/h a 2 km/h come da seguente tabella.

Applicazioni di frenate Pressione [Bar] Temperatura del disco freno [?C] 200 20 50

10-10-10-10 10-20- 30-40 50

10-10-10-10 10-20- 30-40 100

10-10-10-10 10-20- 30-40 150

5 - 5 - 5 - 5 10-20- 30-40 200

5 - 5 - 5 - 5 10-20- 30-40 250

5 - 5 - 5 - 5 10-20- 30-40 300

1 ? 1 ? 1 ? 1 10-20- 30-40 350

1 ? 1 ? 1 ? 1 10-20- 30-40 400

1 ? 1 ? 1 ? 1 10-20- 30-40 450

1 ? 1 ? 1 ? 1 10-20- 30-40 500

200 20 50

In figura 5 ? mostrato l?andamento del segnale di risposta del sensore piezoceramico al variare della temperatura della pastiglia freno e ad un valore di pressione di frenata di 20 Bar. Risultati del tutto analoghi si ottengono per gli altri valori di pressione di frenata.

Ad ogni test di frenata, sono state prese le medie delle temperature della pastiglia freno e del disco freno in funzione della altezza del secondo picco nei dati grezzi delle frenate; successivamente i valori medi sono stati riportati in funzione dei corrispondenti valori medi di temperatura.

L?attenuazione del segnale comincia in questo caso a comparire a temperature decisamente pi? alte ed in particolare tra 152-174 ?C sulla pastiglia freno.

In conclusione, i test hanno mostrato una dipendenza della risposta del sensore dalla temperature molto forte a causa prevalentemente dalle propriet? termo-meccaniche del materiale impiegato per l?elemento protettivo. Il crollo del segnale ? legato al corrispondente crollo delle propriet? meccaniche del materiale impiegato.

La scelta opportuna del materiale impiegato per l?elemento protettivo del sensore piezoceramico consente quindi di stabilizzare la risposta in temperatura del sensore piezoceramico stesso.

Le propriet? termo meccaniche dell?elemento protettivo sono come visto importanti per la sensibilit? del sensore piezoceramico ad una forza di compressione esterna.

Una scelta opportuna delle propriet? termo meccaniche consente di ridurre il carico delle forze effettivamente sperimentate dal sensore piezoceramico durante la produzione del dispositivo frenante o quando il dispositivo frenante ? in esercizio.

Di seguito diamo una spiegazione di come ci? avvenga.

Ipotizziamo l?applicazione di una forza di compressione esterna F sul blocco di materiale d?attrito 3.

Facciamo riferimento allo stato di sollecitazione agente su un sensore piezoceramico 4.

L?elemento protettivo 16 sperimenta una forza la cui risultante F? ? diversa dalla forza F di compressione applicata sul blocco di materiale di attrito 3.

Tale forza risultante F? ? anche trasmessa al sensore piezoceramico 4 che sperimenta una forza finale Fp che in generale ? anche diversa da F? ma ovviamente legata ad essa. Fp ? proprio la forza che induce il segnale elettrico effettivamente misurato sul sensore piezoceramico.

Assumiamo che il trasferimento della forza di compressione esterna F avvenga dalla superficie del blocco di materiale di attrito 3 agli stati sottostanti senza deformazioni tangenziali apprezzabili, in altre parole assumiamo che il blocco di materiale d?attrito 3 sia sostanzialmente rigido in senso longitudinale.

Nel modello si assume inoltre che il materiale di attrito e l?elemento protettivo siano rappresentati rispettivamente nel modello meccanico da molle con costante elastica k e k?, e che le dimensioni lineari della molla relativa al blocco di materiale d?attrito siano le stesse del blocco di materiale di attrito stesso nelle regioni al di fuori e nella area di applicazione dell?elemento di protezione.

Ipotizzando quindi un comportamento elastico lineare dei materiali, vale la legge di Hooke secondo cui:

F=kx

F?=k?x?

F p kpXp

dove x, x? e rispettivamente xp rappresentano la deformazione nella direzione di compressione, k, k? e rispettivamente kp la costante elastica.

Si pu? dimostrare che:

F?=2F/(l+k/k?)

Fp=4F/( 1 k?/kp)( 1 k/k? )

La forza Fp sperimentata dal sensore piezoceramico 4 quindi ? legata ma non uguale alla forza F originalmente applicata al blocco di materiale di attrito 3. Il fattore di attenuazione della forza Fp dipende dalla scelta dei rapporti k?/kp e k/k? e pu? essere regolato, a parit? di k e kp, aumentando o diminuendo la costante elastica k? .

Ne consegue che una volta definito il blocco di materiale d?attrito e il sensore piezoceramico che normalmente hanno limitazioni abbastanza forti dal punto di vista della variazione nelle propriet? meccaniche, oltre che in termini di requisiti nelle propriet? fisiche, allora la scelta dei valori ottimali di k?, ovvero le propriet? meccaniche dell?elemento di protezione, diventa cruciale al fine di ottimizzare il trasferimento delle forze.

Per fare un esempio significativo oltre che esplicativo, considereremo il risultato del modello assumendo dei valori realistici per k e kPi, in particolari presi dalle misure di costanti elastiche del blocco di materiale di attrito e del sensore piezoceramico. La costante k? sar? invece considerata come una variabile parametrica da scegliersi in modo da ottimizzare la risposta del sensore piezoceramico. Poniamo quindi kp=10<n >N/m =10<n >N/m e k=10<10 >N/m. Tali valori di kp e k per il blocco di materiale d?attrito e per il sensore piezoceramico sono valori aderenti alla realt?. In tal caso la relazione per Fp/F dipender? soltanto da k?. La fig. 6 mostra la curva di risposta Fp/F in funzione di k/k? considerando i suddetti valori di kp e k. Emerge chiaramente l?esistenza di un valore ottimale nel rapporto tra le costanti meccaniche k/k? che ottimizza la risposta del sensore piezoceramico. Quindi una volta fissato il sensore piezoceramico ed il blocco di materiale di attrito, l?elemento protettivo deve essere scelto accuratamente. Ad esempio, la scelta di materiali troppo soffici rispetto al valore ottimale sul massimo nella curva di risposta determina un accoppiamento debole per cui le forze saranno trasferite in maniera inefficiente, mentre la scelta di materiali troppo duri sempre rispetto al valore ottimale sul massimo nella curva di risposta determina un trasferimento inefficiente della deformazione al sensore piezoceramico. In merito alla fig. 6 si noti che ? stata applicata una scala logaritmica in ascisse ed ordinate, con la conseguenza che lontani dal massimo della curva di risposta una variazione di un ordine di grandezza sul rapporto tra le costanti elastiche avr? risultati simili anche sulle forze misurate al sensore piezoceramico. Solo mantenendo i valori delle costanti elastiche vicini al valore ottimale sul massimo nella curva di risposta si manterr? un trasferimento efficiente. Questo significa che anche le propriet? termo-meccaniche devono essere selezionate con attenzione per evitare perdite di efficienza al variare della temperatura, a seguito di softening o hardening delle propriet? meccaniche tra i materiali impiegati. Lavorando in prossimit? del massimo della curva di risposta si ha poi un ulteriore evidente vantaggio, ovvero che la stabilit? della risposta ? enormemente superiore anche a fronte di variazioni delle propriet? termo-meccaniche anche su ampi intervalli.

Dunque scegliendo opportunamente le propriet? meccaniche del materiale componente l?elemento protettivo (nel senso di un ammorbidimento o indurimento) si pu? mantenere il carico sperimentato dai sensori piezoceramici ben al di sotto del massimo carico sopportabile da questa classe di sensori sia durante il processo produttivo del dispositivo frenante sia durante il normale esercizio del dispositivo frenante.

Ai fini della applicazione in esame, si ? comunque trovato conveniente, per valori prefissati di kp e k, scegliere k? in modo tale che Fp/F sia non inferiore a 0,01.

Questo significa che anche le propriet? termo-meccaniche devono essere selezionate con attenzione per evitare perdite di efficienza al variare della temperatura, a seguito di softening o hardening delle propriet? meccaniche tra i materiali impiegati. Lavorando in prossimit? del massimo si ha poi un ulteriore evidente vantaggio, ovvero che la stabilit? della risposta della smart pad ? enormemente superiore anche a fronte di variazioni delle propriet? termo-meccaniche anche su range ampi (anche del 200% senza variazioni significative sul massimo).

Con riferimento ai test effettuati, le predizioni del semplice modello meccanico di sopra elaborato sono accurate.

Infatti, a basse temperature il rapporto ? per il primo tipo di materiale adottato ? vicino a 30, e comporta una efficienza di trasmissione del 10% che risulta molto vicino a quanto effettivamente misurato. Ad alte temperature la transizione di fase del materiale induce sopra 90 ?C un cambiamento delle costanti elastiche di circa un fattore 5. Il modello, perch? siamo nella regione di comportamento lineare, predice un corrispondente crollo della risposta del sensore di un fattore 6, che si riduce ulteriormente all? aumentare della temperatura fino ad un fattore 10 ovvero ad un ordine di grandezza in meno, ovvero prevede un salto di efficienza fino all? 1-2%, che ? effettivamente quanto osservato.

Diversamente il secondo tipo di materiale che presenta un rapporto ? vicino a 10, ovvero pi? vicino al massimo ed infatti ha un efficienza del 30%, subisce variazioni pi? piccole anche in temperatura e solo a valori pi? alti.

In conclusione, poich? i materiali d?attrito e i materiali piezoceramici hanno propriet? meccaniche ragionevolmente stabili entro intervalli di temperature molto ampi, la scelta del materiale dell?elemento di protezione deve essere fatta con una logica basata sul grafico di fig. 6. Questo vuol dire che la costate elastica del materiale ? scelta quanto pi? vicino possibile al massimo del grafico di fig.6 per avere il massimo della risposta del sensore piezoceramico con la maggiore stabilit? possibile nei segnali provenienti dal sensore peizoceramico anche a seguito di moderate variazioni reciproche fra le costanti elastiche dei materiali.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo frenante per veicoli, comprendente un elemento di supporto (2) supportante un blocco di materiale di attrito (3), un circuito elettrico (9) elettricamente isolato, ed almeno un sensore piezoceramico (4) interposto tra il blocco di materiale di attrito (3) e l?elemento di supporto (2), detto circuito elettrico (9) essendo connesso a detto almeno un sensore piezoceramico (4) per la raccolta di un segnale elettrico di risposta emesso da detto almeno un sensore piezoceramico (4) quando detto dispositivo frenante ? assoggettato ad una forza di compressione esterna, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un elemento protettivo (16) avente uno o pi? strati di materiale a base di resina applicato a protezione almeno di detto almeno un sensore piezoceramico (4), detto materiale a base di resina essendo scelto tra materiali aventi propriet? meccaniche sostanzialmente stabili in un intervallo di temperatura compreso tra -40?C e almeno 200?C cos? da limitare o annullare la variazione del segnale di risposta al variare della temperatura sperimentata da detto almeno un sensore piezoceramico (4) in detto intervallo di temperatura.
2. Dispositivo frenante per veicoli secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto materiale a base di resina ha una temperatura di reticolazione inferiore alla temperatura di Curie del materiale piezoceramico costituente detto sensore piezoceramico (4).
3. Dispositivo frenante per veicoli secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che lo spessore di detto elemento protettivo (16) ? non inferiore allo spessore di detto sensore piezoceramico (4).
4. Dispositivo frenante per veicoli secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto materiale a base di resina ? elettricamente isolante.
5. Dispositivo frenante per veicoli secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto materiale a base di resina ? termicamente isolante.
6. Dispositivo frenante per veicoli secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto materiale a base di resina comprende una resina epossidica.
7. Dispositivo frenante per veicoli secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto materiale a base di resina comprende una resina Poliimmidica.
8. Dispositivo frenante per veicoli secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto materiale a base di resina comprende una resina Bismallemide.
9. Dispositivo frenante per veicoli secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto materiale a base di resina comprende una resina Ciano-Esterica.
10. Dispositivo frenante per veicoli secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto materiale a base di resina comprende una resina caricata con particelle ceramiche e/o metalliche.
11. Veicolo caratterizzato dal fatto di incorporare almeno un dispositivo frenante conforme ad una qualunque rivendicazione precedente.