BRPI0621311A2

BRPI0621311A2 - sistema de frenagem e veìculo incluindo um sistema de frenagem

Info

Publication number: BRPI0621311A2
Application number: BRPI0621311-1A
Authority: BR
Inventors: William Edward Fenna
Original assignee: William Edward Fenna
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2011-12-06
Also published as: WO2007091001A1; GB2449201B; GB2449201A; CA2641504C; AU2006337903A1; US20090127038A1; GB0815977D0; CN101400919A; CA2641504A1; US20140138194A1; AU2006337903B2; NZ571069A; EP1989463A1; JP2009525917A; MX2008010151A

Abstract

SISTEMA DE FRENAGEM E VEìCULO INCLUINDO UM SISTEMA DE FRENAGEM. A presente invenção refere-se a um sistema de frenagem que compreende um eixo (23), um elemento de suporte (22) montado no eixo, um aro de freio (3) conectado à periferia do elemento de suporte (22) e um calibrador de freio (21) para aplicar uma força de frenagem ao aro de freio (3). O aro de freio (3) é conectado ao elemento de suporte (22) de tal maneira que um percurso de fluxo condutivo de calor é fornecido para conduzir calor do aro de freio (3) para o elemento de suporte (22). Existe também um percurso de fluxo de ar passando através do elemento de suporte (22) e através da região em que o calibrador de freio (21) está situado para transferir calor por convecção do aro de freio (3) e do calibrador de freio (21).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE FRENAGEM E VEÍCULO INCLUINDO UM SISTEMA DE FRENAGEM".

A presente invenção refere-se a sistemas de frenagem particu- larmente, mas não exclusivamente, para rodas de veículo.

Os sistemas de frenagem para rodas de veículo geralmente fun- cionam por conversão da energia cinética em energia de calor usando um sistema de frenagem que inclui uma superfície com um alto coeficiente de fricção para diminuir a marcha das rodas. O problema é que se o calor gera- do não é dissipado, a eficiência de frenagem dos sistemas se torna menor e menor, e eventualmente os freios falham através do assim chamado desva- necimento da força de frenagem.

Os freios a tambor são particularmente vulneráveis ao desvane- cimento da força de frenagem porque a maior parte do tambor é aquecida pelas sapatas que geram fricção que é disponível para dissipar calor por convecção para o ar circundante.

Os freios a disco são geralmente mais eficientes do que freios a tambor porque eles possibilitam que uma pressão maior seja aplicada por um calibrador pressionando as almofadas de freio sobre um disco de freio anexado ao cubo da roda associada que pode ser aplicada à superfície in- terna do tambor de um freio a tambor. A área de contato de calor entre as almofadas de fricção dos freios a disco e seus discos associados pode, por conseguinte, ser substancialmente reduzida em comparação com aquela das sapatas de freio com seus tambores associados para o mesmo esforço de frenagem. Tipicamente, 20% das superfícies dos discos de freios a disco são intensamente aquecidos por almofadas de disco, com 80% do disco es- tando disponível para dissipar o calor por convecção ao ar circundante den- tro dos confinamentos da roda associada.

Em uma tentativa de aperfeiçoar seus sistemas de frenagem do veículo, os fabricantes têm aumentado os diâmetros internos das rodas dos seus veículos de modo que discos de diâmetro maior e calibradores de freio mais largos podem ser adequados. Isso pode possibilitar que a alavancagem da frenagem de sistemas de frenagem seja aumentada como resultado do raio de disco aumentado. No entanto, os raios maiores desses discos maio- res significam que o calibrador associado tem que ser consideravelmente mais longo do que com os discos menores convencionais para cobrir a pro- fundidade dos discos.

Os calibradores mais longos assim chamados "feixes" usados com esses discos maiores são geralmente de construção de quatro ou seis potes, e isso adiciona consideravelmente a sua complexidade e custo de produção. Além disso, eles reduzem extremamente a área do disco de freio que está exposta para arrefecimento por convecção ao ar dentro da roda, e eles podem também tornar pior o efeito de "plug" através da redução do es- paço de ar disponível para arrefecer os discos por convecção de ar dentro da roda associada.

O principal problema inerente tanto ao sistema de frenagem com tambor quanto com disco é, por conseguinte, que a dissipação de calor de- les por convecção através do ar isolado é geralmente insuficiente para im- pedir o desvanecimento da força de frenagem. Além do mais, os muitos de- senhos dos sistemas de frenagem, eles próprios, tendem a reduzir sua efici- ência interrompendo o fluxo de ar sobre as superfícies que devem servir pa- ra arrefecer essas superfícies.

É um objetivo da invenção fornecer um sistema de frenagem que possa ser arrefecido particularmente bem e exibir desempenho alto e pro- longado.

De acordo com a invenção é fornecido um sistema de frenagem compreendendo um eixo, um elemento de suporte montado no eixo, um aro de freio conectado à periferia do elemento de suporte e um calibrador de freio para aplicar uma força de frenagem ao aro de freio, o aro de freio sendo conectado ao elemento de suporte de tal maneira que um percurso de fluxo condutivo de calor é fornecido para conduzir calor do aro de freio no elemen- to de suporte e aí sendo um percurso de fluxo de ar passando através do elemento de suporte e através da região em que o calibrador de freio está situado para transferir calor por convecção do aro de freio e do calibrador de freio. Através de arrefecimento do arranjo de frenagem tanto por con- dução de calor do aro no elemento de suporte quanto por convecção de ar- refecimento do elemento de suporte, o aro e o calibrador de freio, torna-se possível fornecer um sistema de frenagem com bom arrefecimento e alto desempenho, mesmo com frenagem prolongada.

O sistema de frenagem pode ser aplicado a uma roda de um veículo, por exemplo, um carro. A roda pode incluir um cubo e o elemento de suporte. O elemento de suporte pode se estender do cubo ao aro de freio. O aro de freio pode formar parte de, ou ser conectado a, o aro da roda.

Embora esteja dentro do escopo da invenção contar com as cor- rentes de ar de arrefecimento sendo geradas por convecção ou outros fato- res, o sistema de frenagem preferivelmente inclui corrente de ar gerando meios para criar um fluxo de ar ao longo do percurso de fluxo de ar. Por e- xemplo, podem ser fornecidas palhetas para criar o fluxo de ar ao longo do percurso de fluxo de ar. As palhetas podem formar parte do elemento de suporte. Em uma modalidade da invenção as palhetas podem ser fornecidas no cubo da roda. Em uma outra modalidade da invenção as palhetas podem ser fornecidas em um elemento, que pode ser o elemento de suporte, se estendendo de modo para fora de um eixo.

De modo a fornecer um percurso de fluxo de ar eficiente pas- sando através do elemento de suporte, o elemento de suporte preferivelmen- te tem aberturas ocupando uma grande proporção de sua área em seção transversal. Preferivelmente, pelo menos 20%, e mais preferivelmente pelo menos 40%, da área em seção transversal do elemento de suporte compre- ende uma ou mais aberturas para permitir o fluxo de ar através do elemento de suporte.

O aro de freio pode ser destacadamente conectado ao elemento de suporte ou pode ser integral com o elemento de suporte. Em qualquer caso, deve ser um bom percurso condutivo para conduzir calor do aro de freio no elemento de suporte. Dessa maneira, a interface do aro de freio e do elemento de suporte preferivelmente compreende uma interface anular con- tínua. A interface preferivelmente tem uma área de seção transversal que é pelo menos 20% e preferivelmente mais de 50% da área de seção transver- sal do aro de freio imediatamente a montante da interface. Por conseguinte, o calor fluindo para a interface do aro de freio sofre não mais do que uma redução de 50% na área em seção transversal disponível para a condução de calor.

Preferivelmente, o aro de freio se projeta radialmente para den- tro da periferia do elemento de suporte. Neste caso o calibrador de freio está situado no interior do aro de freio, possibilitando que o aro de freio seja de um diâmetro maior. Preferivelmente, o aro de freio é planar e está em um plano perpendicular ao eixo de rotação.

Bem como o arrefecimento por convecção do ar ordinário, está dentro do escopo da invenção fornecer uma região envolta em torno de uma parte do aro de freio e/ou do calibrador de freio e para alimentar de fluido na região e remover fluido da região. Tal arranjo pode possibilitar troca de calor mais eficiente no fluido, que pode ser um refrigerante e pode ser recirculado.

No aspecto da invenção definida acima, uma forma preferida de sistema de frenagem é definida. É, no entanto, possível fornecer um sistema de frenagem de acordo com a invenção que compreenda uma seleção dife- rente das características definidas acima. De acordo com um amplo aspecto da invenção, é fornecido um sistema de frenagem compreendendo um eixo, um elemento de suporte montado no eixo, um aro de freio conectado à peri- feria do elemento de suporte e um calibrador de freio para aplicar uma força de frenagem ao aro de freio, o sistema adicionalmente incluindo uma ou mais das seguintes características:

(i) o aro de freio é conectado ao elemento de suporte de tal maneira que um percurso de fluxo de calor condutivo é fornecido para con- duzir calor do aro de freio para o elemento de suporte;

(ii) existe um percurso de fluxo de ar passando através do elemento de suporte e através da região em que o calibrador de freio está situado para transferir calor por convecção do aro de freio e do calibrador de freio;

(iii) o elemento de suporte é parte de uma roda; (iv) o sistema de frenagem inclui corrente de ar gerando meios para criar um fluxo de ar ao longo do percurso de fluxo de ar;

(ν) o aro de freio é integral com o elemento de suporte;

(vi) o aro de freio é planar e está em um plano perpendicular ao eixo de rotação do eixo;

(vii) o sistema de frenagem inclui um sistema refrigerante para arrefecer o sistema de frenagem.

O sistema de frenagem de acordo com o amplo aspecto da in- venção pode adicionalmente incorporar qualquer uma das outras caracterís- ticas definidas acima.

O sistema de frenagem pode ser usado em uma larga variedade de aplicações incluindo, mas não limitado a, vários veículos. Exemplos da invenção incluindo carros, incluindo carros de corrida, trens e aeronave são descritos abaixo.

A título de exemplo, as modalidades da invenção serão agora descritas com referência aos desenhos esquemáticos em anexo, em que:

A figura 1 é um corte vertical através de um sistema de frena- gem aplicado a uma roda de carro convencional;

A figura 2 é uma vista em perspectiva do lado de fora de uma roda de veículo que é uma forma modificada da roda da figura 1;

A figura 3 é uma vista em perspectiva do lado de dentro da roda da figura 2 com o aro de freio anexado à roda;

A figura 4 é uma vista em corte de uma montagem de eixo de roda de carro com uma forma modificada de sistema de frenagem;

A figura 5 é uma vista em perspectiva de um eixo de trem com um sistema de frenagem; e

A figura 6 é uma vista em perspectiva esquemática de um siste- ma de frenagem para uma roda de veículo, incluindo um sistema refrigeran- te.

A roda do veículo carro mostrada na figura 1 é geralmente con- vencional em que ela tem orifícios de fixação 1 para segurá-la a um eixo do veículo e um elemento de suporte 9 incluindo um aro 2 para receber um pneu pneumático (não mostrado). No entanto, ela difere de rodas de veículo convencionais em que ela inclui um aro de freio anular 3 que é preso em um recesso anular 4 no aro 2 por parafusos escareados 5. Também o elemento de suporte 9 que se estende da parte central da roda para o aro 2 é forneci- do com muitas aberturas 10.

As forças de frenagem podem ser aplicadas ao aro de freio 3 usando um calibrador 6 que é anexado à suspensão do veículo e podem ser operadas hidraulicamente de maneira convencional via uma mangueira hi- dráulica (não mostrada) para forçar os pistões hidráulicos contra as almofa- das de freio 8, e as últimas em engate friccional com o aro 3.

Em uso as correntes de ar passam além do calibrador de freio 6 e do aro de freio 3 e através das aberturas 10 obtendo calor gerado durante a frenagem para longe de tais partes. Também, o calor gerado no aro de freio 3 flui através da interface com o aro 2 na parte do aro do elemento de suporte 9. A conexão do aro de freio 3 para o aro 2 é a mesma em torno de toda a periferia da roda com os parafusos 5 fornecidos em intervalos. Por conseguinte, um percurso de fluxo condutivo de calor é fornecido para o aro 3 para o elemento de suporte 9.

No exemplo particular mostrado, a área em seção transversal da interface do aro de freio e o elemento de suporte 9 é tão grande quanto a área em seção transversal do aro de freio imediatamente a montante da in- terface. Por conseguinte, são fornecidos o aro 3 e o elemento de suporte 9 feitos de material termicamente condutivo e existe um bom contato térmico na interface, um bom percurso de fluxo condutivo de calor é formado para conduzir calor do aro de freio 3 para o elemento de suporte 9. Na modalida- de mostrada na figura 1 as aberturas 10 são responsáveis por cerca de 90% da área em seção transversal do elemento de suporte 9 e existe, por conse- guinte, um percurso de fluxo de ar através do elemento de suporte 9 e atra- vés da região em que o calibrador de freio 6 está situado. Conseqüentemen- te a transferência de calor do aro de freio 3 e do calibrador de freio 6 por convecção é facilitada. Se desejado, a convecção pode ser adicionalmente intensificada fazendo uma convecção forçada, por exemplo, fornecendo pa- lhetas no elemento de suporte para acionar o fluxo de ar através das abertu- ras 10. Este é o caso na modalidade da figura 1 onde o elemento de suporte 9 inclui palhetas 11.

A remoção e a substituição da roda do veículo podem ser efetu- adas de uma maneira substancialmente convencional através de primeiro liberar e então girar uma porção do calibrador 6 em torno da linha A-A de modo que ele possa ser movido para a posição indicada por linhas pontilha- das no desenho, e então remover e subseqüentemente substituir as porcas de fixação ou parafusos que prendem a roda no eixo do veículo.

Os sistemas de frenagem de veículo de acordo com a presente invenção podem ser usados em uma variedade de veículos. Eles podem ser usados em veículos de estrada, por exemplo, carros, ônibus, caminhões e reboques de veículo de estrada, e eles podem ser usados em veículos que correm em trilhos ou pistas, por exemplo, carros de estrada de ferro, vagões de estrada de ferro e bondes, e eles podem ser usados em aeronaves.

A figura 2 mostra uma forma modificada de roda geralmente si- milar àquela da figura 1 com os mesmos números de referência designando partes correspondentes. Na figura 2 o aro de freio 3 e o calibrador de freio 6 não são mostrados. Estas partes são mostradas na figura 3. Também nas figuras 2 e 3 o elemento de suporte 9 é mostrado tendo palhetas 11 gerando um fluxo de ar através da roda (como indicado pelas setas na figura 1).

Na modalidade mostrada nas figuras 2 e 3, tanto o elemento de suporte 9 quanto o aro de freio 3 são feitos de alumínio, um material termi- camente condutivo.

Uma vantagem de fornecer o aro de freio 3 é que ele adiciona resistência ao aro interno da roda permitindo que as espessuras de partes da roda sejam reduzidas.

Especialmente em carros de alto desempenho, pode ser desejá- vel monitorar a temperatura do aro de freio e/ou as almofadas de freio, por exemplo, com um termômetro a laser (não mostrado) e usar tal sinal de tem- peratura como uma entrada para um controlador controlar a frenagem.

A figura 4 mostra um arranjo modificado de um carro em que o sistema de frenagem é montado em eixos traseiros 23 de um veículo em direção oposta das rodas. No exemplo mostrado os sistemas são montados tanto no lado de um diferencial quanto na unidade da caixa de câmbio 20 em que são montados os calibradores de freio 21 para cada um dos sistemas.

Cada sistema de frenagem compreende um elemento de suporte 22 que é um elemento de palhetas aberto, que é montado em um eixo respectivo 23 e que se estende de maneira para fora e é conectado na sua periferia a um aro de freio 3 em que os calibradores 21 atuam. O elemento de suporte com palhetas 22 serve tanto para gerar um fluxo de ar na região do aro de freio 3 quanto nos calibradores 23 e também, como resultado da sua estrutura simi- lar a uma estria, arrefece o elemento de suporte. Setas mostram a direção do fluxo de ar.

A figura 5 mostra um arranjo similar àquele da figura 4, mas apli- cado a um eixo de um veículo de estrada de ferro tendo rodas 25 nos trilhos 26. Os mesmos números de referência são usados na figura 5 como na figu- ra 4 para designar partes correspondentes.

A figura 6 mostra esquematicamente um sistema de frenagem da espécie mostrada nas figuras 4 e 5 com um sistema de arrefecimento de fluido. Uma câmara vedada 30 é fornecida na região do sistema de frena- gem e um refrigerante circulado ao longo dos tubos 31 entre a câmara 30 e um outro radiador de troca de calor 32 onde o refrigerante condensa e arre- fece. Deve ser entendido que a figura 6 é esquemática e a câmara 30 pode, por exemplo, somente circundar o calibrador e estar em contato de vedação com o aro de freio 3.

Claims

1. Sistema de frenagem compreendendo um eixo, um ele- mento de suporte montado no eixo, um aro de freio conectado à periferia do elemento de suporte e um calibrador de freio para aplicar uma força de fre- nagem ao aro de freio, o aro de freio sendo conectado ao elemento de su- porte de tal maneira que um percurso de fluxo condutivo de calor é fornecido para conduzir calor do aro de freio para o elemento de suporte e aí usando um percurso de fluxo de ar passando através do elemento de suporte e atra- vés da região em que o calibrador de freio está situado para transferir calor por convecção do aro de freio e do calibrador de freio.

2. Sistema de frenagem de acordo com a reivindicação 1, em que o elemento de suporte é parte de uma roda.

3. Sistema de frenagem de acordo com a reivindicação 1 ou 2, incluindo adicionalmente corrente de ar gerando meios para criar um fluxo de ar ao longo do percurso de fluxo de ar.

4. Sistema de frenagem de acordo com a reivindicação 3, em que o elemento de suporte inclui palhetas para criar o fluxo de ar ao lon- go do percurso de fluxo de ar.

5. Sistema de frenagem de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o aro de freio é destacadamente conec- tado ao elemento de suporte.

6. Sistema de frenagem de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, em que o aro de freio é integral com o elemento de suporte.

7. Sistema de frenagem de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o aro de freio projeta-se radialmente de maneira para dentro da periferia do elemento de suporte.

8. Sistema de frenagem de acordo com a reivindicação 7, em que o aro de freio é planar e está em um plano perpendicular ao eixo de rotação do eixo.

9. Sistema de frenagem compreendendo um eixo, um ele- mento de suporte, montado no eixo, um aro de freio conectado à periferia do elemento de suporte e um calibrador de freio para aplicar uma força de fre- nagem ao aro de freio, o sistema adicionalmente incluindo uma ou mais das seguintes características: (i) o aro de freio é conectado ao elemento de suporte de tal maneira que um percurso de fluxo de calor condutivo é fornecido para con- duzir calor do aro de freio para o elemento de suporte; (ii) existe um percurso de fluxo de ar passando através do elemento de suporte e através da região em que o calibrador de freio está situado para transferir calor por convecção do aro de freio e do calibrador de freio; (iii) o elemento de suporte é parte de uma roda; (iv) o sistema de frenagem inclui corrente de ar gerando meios para criar um fluxo de ar ao longo do percurso de fluxo de ar; (ν) o aro de freio é integral com o elemento de suporte; (vi) o aro de freio é planar e está em um plano perpendicular ao eixo de rotação do eixo; (vii) o sistema de frenagem inclui um sistema refrigerante para arrefecer o sistema de frenagem.

10. Sistema de frenagem de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, incluindo adicionalmente um sistema refrigeran- te para arrefecer o sistema de frenagem.

11. Veículo incluindo um sistema de frenagem como definido em qualquer uma das reivindicações precedentes.

12. Veículo de acordo com a reivindicação 11, em que o veículo é um carro.

13. Veículo de acordo com a reivindicação 11, em que o veículo é um trem.

14. Veículo de acordo com a reivindicação 11, em que o veículo é uma aeronave.

15. Sistema de frenagem substancialmente como descrito aqui com referência a e como mostrado nos desenhos em anexo.