DISCO DE FRENO UBICADO FUERA DE LA CUBIERTA DE RUEDA
CAMPO DE A INVENCIÓN La presente invención se refiere a frenos de disco para vehículos y, en particular, a discos de freno para frenos de disco operados por aire para vehículos comerciales .
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los frenos de disco operados neumáticamente han estado evolucionando debido al desarrollo y crecimiento de la industria de los vehículos comerciales, al menos desde los años setenta, y están empezando a reemplazar los frenos tipo tambor debido a las ventajas en aspectos tales como el enfriamiento, resistencia al desgaste y la utilidad. La publicación de patente alemana DE 40 32 886 Al y, en particular, la Figura 1 de este documento, describe un ejemplo de ese freno de disco de aire. En este diseño, una cámara de diafragma neumático (12) está unida a un lado posterior del alojamiento (3) del calibrador del freno de disco, y aplica una fuerza de accionamiento del freno a través de una varilla accionadora lineal (10) a una palanca accionadora del freno (9) dentro del calibrador. A su vez, la palanca accionadora del freno transfiere y multiplica la fuerza aplicada por la varilla accionadora a uno o más pivotes (14), los cuales presionan las pastillas de fricción (20) contra un disco de freno o rotor (1) . Los términos "disco de freno", "rotor" y "rotor de freno" se utilizan aquí indistintamente. La adaptación de la tecnología de freno de disco a aplicaciones de vehículos comerciales no se ha sustraído a los retos de ingeniería. Las llantas de ruedas de vehículos comerciales se ajustan a tamaño, tanto en diámetro como en desplazamiento axial, para proporcionar espacio libre adecuado para los frenos tipo tambor, empleados históricamente en tales vehículos. La cubierta del espacio resultante entre la rueda y su eje está limitada, dejando poco espacio disponible para un freno de disco neumático. Además, el desplazamiento profundo de una rueda de vehículo comercial común esencialmente rodea el cubo del eje y el freno montado en éste, inhibiendo notoriamente el' flujo libre del aire de enfriamiento al freno. La combinación de esas desventajas de espacio limitado y flujo de aire limitado en las ruedas de vehículos comerciales es un problema a resolver para el buen desempeño del freno de disco y la vida útil. Por ejemplo, debido al diámetro interno limitado de las ruedas de vehículos comerciales, los rotores de freno ubicados dentro de la cubierta definida por una rueda también deben estar limitados en su diámetro. Por consiguiente, la energía cinética del vehículo que debe convertirse en energía térmica en el freno con el fin de disminuir la velocidad del vehículo debe depositarse en un disco de diámetro relativamente pequeño, lo que, a su vez, da por resultado temperaturas del disco indeseablemente elevadas . Existen al menos tres aspectos con tales temperaturas elevadas del disco, entre los que se incluye la inestabilidad dimensional del disco (es decir, "combadura"), acortamiento de la vida útil del disco debido al rompimiento acelerado del disco y al desgaste; y la transferencia excesiva de calor por alta temperatura proveniente del cubo del rotor del disco al cubo del eje del vehículo, cojinetes de cubo y otros componentes. La vida corta resultante de los componentes puede crear una carga de mantenimiento, impedimento para un uso más amplio de la tecnología de freno de disco operado neumáticamente. Aparte del espacio limitado de la cubierta, el recubrimiento de los discos de freno de diámetro más pequeño, por la cobertura de las llantas de rueda, limita notablemente la capacidad de enfriamiento del flujo de aire para alcanzar los discos. El recubrimiento de las ruedas también contribuye a la generación de temperaturas excesivas del disco de freno al limitar la capacidad del disco para rechazar el calor generado durante el frenado hacia el ambiente. Una propuesta para enfrentar estos inconvenientes ha sido diseñar discos de freno con características mejoradas de enfriamiento, como el disco de freno descrito en la Patente de los Estados Unidos No. 6,626,273 Bl, el cual está formado esencialmente por dos superficies de fricción del rotor de freno paralelo acopladas mediante uniones internas para crear conductos de ventilación internos entre las superficies paralelas. La ventilación interna de esta manera duplica eficazmente el área superficial del disco expuesta al aire para la transferencia de calor, sin incrementar un diámetro externo del disco de freno. Además, los discos de freno han sido desarrollados para desacoplar mecánicamente el rotor de freno de su cubo, como el disco que tiene ranuras descrito en la Patente de los Estados Unidos No. 6,564,913 B2. Así, al liberar las superficies de fricción del rotor de freno de un montaje integral rígido o fijo, se disminuyen los esfuerzos mecánicos sobre el disco durante el frenado (como momentos de flexión provenientes de fuerzas disparejas de frenado aplicadas por el calibrador de freno y debido a la expansión térmica en dirección radial. La reducción de esfuerzos mecánicos a su vez permite que el disco tolere esfuerzos más fuertes inducidos térmicamente y, por lo tanto, que sea capaz de absorber calor adicional generado por el frenado . La necesidad de ajuste de la unidad de freno de disco dentro de las ruedas existentes también restringe el diseño del calibrador. Los calibradores de freno comúnmente colocan a horcajadas un rotor de freno con el fin de que el calibrador presione simultáneamente las pastillas de fricción contra ambos lados del rotor. Si toda la unidad de freno está ajustada dentro de la rueda, el grosor del calibrador mayor al radio externo del rotor se debe mantener al mínimo. Esta restricción de diseño limita la capacidad del diseñador para mejorar el calibrador en aspectos tales como la resistencia y el costo de fabricación. Por ejemplo, si el diámetro del rotor se maximiza dentro de la cubierta de la rueda, esencialmente no se deja espacio para alguna forma de reforzamiento para la porción del calibrador arriba del rotor (la porción que une en puente las mitades interna y externa del calibrador) . La cubierta limitada proporcionada por la rueda también obliga al diseñador a acomodar cualquier accesorio para alojar al calibrador (como accionadores neumáticos) hacia el lado interno del eje del vehículo, en lugar de radialmente hacia fuera, incluso si éste último diera por resultado una configuración preferida de freno y eje . Las propuestas anteriores para adaptar el mecanismo a las restricciones de la cubierta de la rueda tienen sus ventajas pero también presentan inconvenientes. Los rotores ventilados como los descritos en la Patente de los Estados Unidos No. 6,626,273 Bl comúnmente son vaciados muy complejos y, por ello, son costosos en términos tanto desde el punto de vista de los procesos de fabricación (por ejemplo, mano de obra, preparación intensiva del molde y equipo así como los procesos de vaciado) como del rendimiento del proceso (es decir, proporciones relativamente grandes de rechazo por vaciado defectuoso) . Similarmente, el uso de rotores de freno que no están fijos puede requerir la producción y uso de un gran número de partes individuales de los componentes, aumentando su precio, los esfuerzos de montaje y posiblemente de servicio. Otras alternativas como la utilización de materiales de disco, resistentes a fuertes temperaturas
(por ejemplo, materiales compuestos de matriz cerámica
("CMC") también tienen sus propias limitaciones, que incluyen el alto costo (los costos de los materiales tipo CMC son del orden de diez veces más que los discos de freno de hierro equivalentes) y, en el caso de un calibrador de freno configurado al diámetro máximo del disco, también se vuelve necesario el retiro de la rueda con el fin de hacer posible el acceso a las pastillas de fricción para su inspección o reemplazo.
Por lo tanto, a pesar de los diversos procedimientos para mejorar el desempeño del freno de disco en el campo de ruedas comerciales, el tamaño y la ubicación de la cubierta de la rueda continúa siendo un impedimento significativo para el desempeño, la vida y utilidad mejorados del freno. Con el fin de superar los problemas anteriores, un objeto de la presente invención es proporcionar un freno de disco con un rotor de freno y un cubo compuesto o metálico especializado o adaptador de cubo, adecuado para montarse en un eje de un vehículo, de preferencia un vehículo comercial, que permite la ubicación de la unidad de freno de disco lo suficientemente dentro de la rueda (es decir, hacia el centro del vehículo) para permitir que la porción de la superficie de fricción del disco de freno y el calibrador de freno estén ubicados fuera de la cubierta de una rueda montada en el cubo. Un objeto más es proporcionar un freno de disco ubicado fuera de la cubierta de una rueda, en donde el rotor de freno tiene un radio externo más grande que el radio de la llanta de rueda y el calibrador coloca a horcajadas el disco de freno y se fija al eje del vehículo de tal modo que el calibrador también está ubicado fuera de la cubierta de la llanta de rueda y su neumático. De preferencia, el rotor está colocado de tal manera que su superficie de fricción generalmente está centrada de manera opuesta a la moldura de retención del neumático externo de la rueda. Con un eje convencional, particularmente un eje común de vehículo comercial, el miembro de cubo montado giratoriamente sobre el extremo del eje está configurado con una pestaña ubicada sobre un extremo externo del cubo para recibir una pestaña de atornillamiento de una llanta de rueda. En donde tales ejes están equipados con un freno de disco común, un rotor de freno está montado comúnmente en la parte interna del cubo de la pestaña de atornillamiento de la rueda del cubo, colocando así el rotor dentro de la cubierta definida por la llanta de rueda. Además de limitar el diámetro del freno, este arreglo comúnmente requiere el retiro del cubo con el fin de dar servicio al rotor de freno. En la presente invención, se proporciona un cubo especializado o adaptador de cubo con su pestaña de atornillamiento, de preferencia hacia un extremo interno del cubo, y está adaptado para recibir el rotor de freno en el lado externo de la pestaña de atornillamiento. Este arreglo permite que pueda dársele servicio al rotor sin retirar el cubo, ya que el rotor, que, por ejemplo, puede estar atornillado a la pestaña especializada del cubo o capturado entre el cubo y una rueda atornillada al cubo, puede pasar hacia fuera sobre el cubo sin encontrar interferencias. Este arreglo también coloca la porción de cubo del rotor de freno relativamente cerca de un borde interno de la rueda, minimiza la distancia de la superficie de fricción del rotor que debe ser desplazada de la porción de cubo con el fin de despejar la rueda y, con ello, se minimiza el peso y el costo del rotor. En la presente invención, la ubicación del freno de disco fuera de la cubierta de una rueda de vehículo tiene diversas ventajas. La exposición directa de los componentes de freno a la corriente de aire de enfriamiento reduce considerablemente el tiempo necesario para que se enfríen los componentes del freno. Como resultado, se disminuye la necesidad de rotores ventilados, caros y complejos; y, de hecho, se pueden eliminar completamente. El enfriamiento acelerado del disco también reduce la cantidad de calor transferido a la porción de cubo del rotor y al eje del vehículo y ayuda a reducir o eliminar el desgaste del freno que de otro modo puede ocurrir cuando el frenado sostenido da por resultado una situación de freno sobrecalentado. El enfriamiento mejorado también disminuye las temperaturas del calibrador y la pastilla de fricción, aumentando la vida de los componentes y disminuyendo la degradación de los componentes sensibles al calor como cubiertas de caucho y anillos. Esta colocación del freno también ofrece inspección y servicio del freno muy mejorados, ya que la porción de fricción del disco de freno, el calibrador y las pastillas de fricción ya no están recubiertos por la rueda del vehículo. En particular, este arreglo permite la inspección visual inmediata de las pastillas de fricción y la reducción del tiempo de reemplazo de las pastillas a solamente unos minutos debido a la eliminación de la necesidad de elevar el eje del vehículo y retirar una o más ruedas para tener acceso al freno. Los beneficios adicionales de incrementar el diámetro exterior del disco de freno más allá de la llanta de la rueda incluyen un aumento en la masa del rotor en la periferia exterior del rotor para la absorción de energía térmica adicional de frenado, con lo cual se ayuda a disminuir la temperatura pico del rotor. El diámetro aumentado del rotor también da por resultado una disminución correspondiente de las fuerzas y esfuerzos aplicados al calibrador de freno. Por ejemplo, con el fin de obtener el mismo nivel del momento de torsión de frenado en la rueda, tal como se logra mediante un freno de disco dentro de la cubierta de la rueda, el brazo del momento incrementado alrededor del eje del vehículo proporcionado por el rotor con diámetro más grande da por resultado una disminución correspondiente en la cantidad de fuerza de sujeción necesaria para aplicarse por el calibrador. De manera alternativa, para el mismo nivel de fuerza de sujeción del calibrador, el disco de freno con diámetro más grande puede generar un momento de torsión por el frenado mayor en el frenado que un freno de disco dentro de la rueda. En esas aplicaciones donde no se requiere mayor momento de torsión por el frenado, los esfuerzos reducidos del calibrador, resultantes de un rotor con diámetro más grande, permiten la optimización adicional del diseño del calibrador. Por ejemplo, debido a que el calibrador solamente necesita ser diseñado para resistir cargas menores, se puede emplear un calibrador y estructura de montaje simplificados y más pequeños, con reducciones equitativas en cuanto a peso y costos de fabricación. Otra ventaja de la presente invención respecto a la ubicación del freno de disco fuera de la cubierta, es que un diseño de freno de disco simple puede ser compatible con una gama de tamaños diferentes de ruedas estándares en la industria. Como un ejemplo, una unidad de freno de disco simple, adaptada para estar ubicada fuera de una cubierta de rueda, se puede usar con ejes equipados con ruedas de 49.5 cm (19.5 pulgadas) para vehículos comerciales, estándares en la industria, así como con ejes que utilizan ruedas de 57.1 cm (22.5 pulgadas) estándares en la industria. Tales conjuntos de partes ofrecen a los fabricantes y vendedores de unidades de eje, grandes inventarios y ahorros en los costos de apoyo para los productos. Por lo tanto, los vehículos comerciales pueden estar provistos con un freno de disco común, que ofrece vida útil más prolongada y menor costo que los actuales frenos de disco integrados en la rueda. Otros objetos, ventajas y nuevas características de la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de la invención, considerada en conjunto con los dibujos anexos.
BREVE DESCRIPCIÓN DEL DIBUJO La figura 1 es una vista en sección transversal de un freno de disco ubicado en el exterior, de acuerdo con una modalidad de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA La figura 1 es una vista en sección transversal de la mitad de una unidad de freno de disco (1) , colocada sobre un extremo de un eje (2) del vehículo comercial. Por razones de claridad, no se muestra una porción simétrica del eje (2) debajo de la línea central del eje. El eje (2) del vehículo incluye un tubo del eje
(3) y una porción del eje (4) ubicada en un extremo externo del eje. Los cojinetes (5), cuyos detalles no se ilustran en la figura por razones de claridad, soportan giratoriamente un miembro de cubo especializado (6) sobre la porción del eje (4) . El miembro de cubo (6) está formado en esta modalidad con una porción de pestaña (7) con un lado externo adaptado para recibir un rotor de freno (8) de la unidad de disco de freno (1) . Alternativamente, el rotor puede estar fijo al cubo en otras configuraciones, por ejemplo, mediante tornillos a un lado interno de la pestaña (7) o a una serie de salientes que se proyectan radialmente hacia fuera del cubo. Si se emplean arreglos alternos de montaje, es preferible que se preserve la posibilidad de retirar el rotor del cubo sin la necesidad de retirar el cubo, por ejemplo al espaciar las salientes de atornillamiento anteriormente mencionadas, alrededor de la circunferencia del cubo de tal modo que cuando el rotor no esté atornillado al cubo, las tiras de atornillamiento correspondientes en el diámetro interno del rotor, pueden pasar entre las salientes del cubo. Además del rotor (8), la unidad de disco de freno (1) también incluye un calibrador de freno (9) (ilustrado sin su accionador unido) que coloca a horcajadas una región de diámetro externo del rotor (8), y una ménsula de montaje del calibrador (10) . En esta modalidad, el calibrador (9) está atornillado a la ménsula de montaje (10) . La ménsula de montaje (10) puede estar fija al vehículo en cualquiera de una gama de configuraciones bien conocidas, siempre y cuando el calibrador (9) no esté sujeto giratoriamente sobre el rotor (8). Por ejemplo, la ménsula de montaje (10) puede estar fija a la superficie externa del tubo del eje (3) con soldadura. El rotor (8) se sujeta contra la porción de pestaña (7) del cubo por la pestaña de atornillamiento (11) de la rueda de la llanta de rueda (12) . La llanta de rueda
(12) y la pestaña de atornillamiento (11) son ilustraciones esquemáticas de una rueda estándar en la industria, como una rueda de 45.9 cm (19.5 pulgadas) o de 57.1 cm (22.5 pulgadas) comúnmente empleadas en vehículos comerciales en los Estados Unidos. La pestaña de atornillamiento (11) de la rueda a su vez está retenida sobre el miembro de cubo (6) por tuercas salientes (13) roscadas sobre los pernos salientes (14) que se proyectan desde la porción de pestaña de cubo (7) . De manera alterna, el rotor (8) puede ser atornillado separadamente a la porción de pestaña de cubo (7) , con lo cual se asegura la retención del rotor cuando la rueda se retira. En esta modalidad, el rotor (8) está provisto con una porción conectora (15) esencialmente paralela al eje (2), la cual desplaza la porción de fricción del rotor del área de porción de pestaña de cubo (7) hacia el centro del vehículo, de modo tal que la superficie de fricción del rotor y el calibrador de freno (9) están colocados dentro de la llanta de rueda (12) y su neumático (16) . El rotor (8) se ilustra como un rotor sólido de una pieza, sin embargo, alternativamente el rotor puede ser una estructura de varias piezas, constituido por subunidades, como un cubo integral y sección de pestaña conectora a la cual se asegura una sección de superficie de fricción reemplazable, y puede incluir accesorios de enfriamiento adicionales como aletas de enfriamiento, ventilaciones radiales internas, y bloques de transferencia de calor para inhibir la transferencia de calor al eje (2) debido al frenado. Como se ilustra, el radio externo del rotor de freno (8) y el calibrador (9) pueden extenderse más allá del radio interno de la llanta de rueda (12) . El posible radio aumentado del disco de freno desplazado en este sitio permite la generación de mayor momento de torsión por frenado para una cantidad dada de fuerza de aplicación del forro del freno de disco que el que pudiera generarse por un disco de freno suficientemente pequeño para ajustarse dentro de la llanta de rueda (12) . Esta configuración de disco de freno también permite el enfriamiento mejorado del freno mediante la colocación de la porción de la superficie de fricción del rotor (8) y el calibrador (9) fuera, en una región de aire de enfriamiento en vez de dentro de la región relativamente recubierta dentro de la llanta de rueda (12) . La descripción anterior ha sido establecida solamente para ilustrar la invención y no se pretende que la restrinja. Por ejemplo, puesto que la modalidad ilustrada anteriormente incluye un miembro de cubo especializado, adaptado para recibir un rotor y una rueda estándar en la industria, se pueden considerar arreglos alternativos de rotor y montaje de rueda, como ruedas separadas y pestañas de montaje del rotor sobre el cubo o la provisión de un adaptador que fija el rotor de la presente invención a un cubo de eje común, siempre y cuando se cumpla el objetivo de proporcionar una unidad de freno de disco fuera de la cubierta de la rueda. Ya que las personas expertas en la técnica pueden hacer otras modificaciones a " las modalidades descritas, mismas que incluyen el espíritu y fundamento de la invención y cuya descripción deberá estar redactada de manera que incluya cualquier cosa que se encuentre dentro del alcance de las reivindicaciones anexas y equivalentes de las mismas.