ES2271902T3 - Pastillas de freno de disco ventiladas. - Google Patents
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Abstract
Pastilla de freno de disco que comprende por lo menos una guarnición de freno (120, 220, 320) y una placa de soporte (110, 210, 310), teniendo dicha guarnición por lo menos una superficie plana (121, 221, 321) destinada a entrar en contacto por fricción con una cara del disco, estando dicha pastilla de freno provista de una estructura disipadora del calor (111, 211 y 231, 330 y 311) que conduce el flujo de calor a disipar en por lo menos una dirección sensiblemente paralela al plano de dicha superficie de fricción, caracterizada porque se inserta dicha es- tructura disipadora de calor en la unión entre dicha guarnición y dicha placa de soporte.
Description
Pastillas de freno de disco ventiladas.
La presente invención hace referencia a las
guarniciones de los frenos de discos, más precisamente a las
pastillas de freno de disco. Las pastillas son unos elementos de
freno de disco, por lo general dispuestas por ambas partes del
disco, agrupadas en una brida colocada a caballo sobre el canto del
disco. Están asociadas cada una a uno o varios pistones de frenado.
Se accionan mediante estos pistones, que se ponen en movimiento
gracias a la presión del líquido de frenado, de modo que llegan a
hacer contacto con la superficie del disco, estando este último
típicamente acoplado a una rueda de vehículo o a un volante de
máquina (eólica, cinta transportadora, etc). La fricción que
resulta de ello permite reducir la velocidad de rotación del
conjunto.
Las pastillas de freno de disco comprenden una
guarnición que es un elemento de desgaste destinado a entrar en
contacto con una cara del disco y una placa de soporte, por lo
general de un material diferente, destinada a acoplar la brida a
las pastillas. A veces, especialmente para las guarniciones hechas
con materiales compuestos C/C, el elemento destinado a acoplar la
brida a las pastillas es una parte de la guarnición, mecanizada en
la masa. Por cuestiones de comodidad de lenguaje, daremos a esta
parte de la guarnición así como a las placas de soporte del caso
general, el nombre común de "placas de fijación".
La placa de soporte está hecha por lo general
con metal de manera que pueda resistir a los esfuerzos mecánicos
causados por el frenado: por una parte debe transmitir -y resistir
a- la compresión ejercida por el pistón o pistones sobre la
guarnición y por otra parte mantener la pastilla en contacto con el
disco a pesar de unos esfuerzos de cizalladura importantes ejercidos
por este último sobre la pastilla.
El material de la guarnición es un material de
fricción, cuya base es típicamente una mezcla orgánica (de hecho
una mezcla de polvos de grafito, de cerámicas y de virutas metálicas
ligadas mediante una resina), cuya base es un material sinterizado
(mezcla de polvos de grafito, de metales y de cerámicas) o bien un
material compuesto del tipo C/C, como puede ser el descrito en la
solicitud EP 0 581 696. La guarnición orgánica está o bien pegada
en la pastilla o bien moldeada directamente en la placa de soporte,
que ha sido previamente perforada con algunos agujeros de anclaje.
La guarnición sinterizada está por lo general soldada en la placa
de soporte y la guarnición de materiales compuestos C/C está
mecanizada en la masa.
La disminución de la energía cinética del
conjunto en rotación requiere grandes esfuerzos de fricción que
pueden traducirse en un calentamiento intenso a nivel del contacto
entre la guarnición y el disco. Al disiparse, la energía térmica
que resulta del frenado provoca unos calentamientos importantes
tanto a nivel del disco como del pistón y el líquido de frenado.
Estos calentamientos pueden perjudicar el buen funcionamiento del
freno (degradación del material de la guarnición, mala estanqueidad
al estar en contacto con el pistón y su alojamiento, ebullición y/o
degradación del líquido de frenado, etc.).
Ya se han propuesto numerosas medidas para
disminuir algunos de estos inconvenientes. Para no castigar el
pistón y el líquido de refrigeración, se ha buscado por ejemplo
disminuir el flujo térmico que se dirige en esta dirección,
eligiendo un material de guarnición lo más aislante posible
térmicamente (JP 05 171 167), un material de placa de soporte lo
más aislante posible térmicamente (US 4 230 207, JP 56 147 933), o
bien insertando una pantalla térmica entre la placa de soporte y el
pistón (JP 55 139 532, JP 58 156 735, GB 2 129 511, US 3 490 563),
entre la guarnición y la placa de soporte (JP 57 195 935) o bien
entre la placa de soporte y una chapa fijada en la placa y
destinada a ser puesta en contacto con el pistón (GB 2 020 763, US
3 563 347). US-A-4 029 181 describe
una pastilla de freno de disco provista de una estructura disipadora
del calor.
La introducción de una pantalla térmica que se
opone a la transferencia del flujo de calor hacia el circuito de
frenado tiene el mérito de preservar el pistón y el líquido de
frenado. En cambio, el disco y la guarnición no son preservados por
la pantalla térmica. Hasta se puede pensar que están sometidos a
unos calentamientos más elevados que si no hubiera ninguna pantalla
térmica. De ello resulta que el disco, la guarnición del freno y/o
los medios de fijación de dicha guarnición en la placa de soporte se
degradan de manera prematura.
El solicitante ha buscado por lo tanto poner a
punto una pastilla de freno que, a la vez que preserva los pistones
y el circuito hidráulico de frenado de cualquier sobrecalentamiento
intempestivo, no presenta los inconvenientes expuestos más
arriba.
\newpage
El objeto de la invención es una pastilla de
freno de disco que comprende por lo menos una guarnición del freno
que posee por lo menos una superficie plana destinada a entrar en
contacto mediante fricción con una cara del disco, estando dicha
pastilla de freno provista de una estructura disipadora del calor
que orienta el flujo de calor para disipar en por lo menos una
dirección sensiblemente paralela al plano de dicha superficie de
fricción, caracterizada porque dicha estructura disipadora de calor
está insertada en la unión entre dicha guarnición y dicha placa de
soporte. Esta estructura está montada en la pastilla de modo que
conduce el flujo de calor a disipar, mediante conducción y/o
mediante convección, en una o varias direcciones particulares,
sensiblemente paralelas al plano de la superficie de fricción, es
decir sensiblemente perpendiculares a la dirección en la cual se
desplaza el pistón.
Esta estructura disipadora del calor está
insertada en la pastilla, o bien en la placa de soporte, o bien en
la guarnición, o bien en las dos, por ejemplo en el lugar donde está
ubicada su unión y permite aumentar el flujo de refrigeración, o
bien mediante aumento de la superficie de intercambio de la pastilla
con el aire circundante, o bien mediante aumento de la
conductividad térmica en una o varias direcciones sensiblemente
paralelas a la superficie de fricción.
El aumento de la superficie de intercambio de
calor con el aire circundante puede hacerse por ejemplo perforando
en la placa de soporte y/o la pastilla unos agujeros oblongos, es
decir unos agujeros de forma alargada, típicamente en forma de
cilindros cuya sección no es necesariamente circular. Estos agujeros
siguen una o varias direcciones sensiblemente paralelas a la
superficie de fricción. Son pasantes, de modo que el aire puede
atravesarlos libremente. El aumento de la superficie de intercambio
puede hacerse asimismo practicando unas protuberancias en la
periferia de la placa de soporte, estando dichas protuberancias
preferentemente provistas de unas aletas de refrigeración
orientadas en la dirección del aire en movimiento. Las dos
soluciones -perforaciones + protuberancias- pueden ser
ventajosamente combinadas, debiendo la placa de soporte y la
guarnición resistir unas tensiones mecánicas elevadas y no pudiendo
ser perforadas de manera muy importante.
Los agujeros pasantes practicados en la pastilla
son preferentemente unos agujeros cilíndricos cuyos ejes son
sensiblemente paralelos al plano de la superficie de fricción.
Cuando la pastilla de freno está instalada en un vehículo en
movimiento, los ejes de estos agujeros son preferente y
sensiblemente paralelos a una misma dirección elegida en función
del posicionamiento del freno de disco con respecto al vehículo, más
precisamente con respecto a la dirección del aire en movimiento que
llega a proximidad de la pastilla de freno. Dicho de otra manera,
se orientan preferentemente estos agujeros en una dirección paralela
a la llegada del aire. Por ejemplo, en ausencia de deflectores, se
elegirán unos agujeros "radiales", globalmente orientados hacia
el eje de rotación del disco si la brida está colocada por delante
del eje de rotación de la rueda y "ortoradiales", es decir
orientados siguiendo una dirección tangencial a la rotación del
disco, si la brida está colocada por encima del eje de rotación de
la rueda.
Estos agujeros pueden ser unos agujeros
cilíndricos realizados en la masa de la placa de soporte y/o de la
guarnición. En este caso, al no ser muy fácil la realización de unos
agujeros de este tipo mediante perforado, las perforaciones tienen
preferentemente un diámetro lo más importante posible. En este caso
hay que verificar que el diámetro de las perforaciones sea
compatible con la resistencia que debe presentar necesariamente la
placa de soporte y/o la guarnición de cara a las fuertes
solicitaciones mecánicas impuestas por el frenado.
Los agujeros pueden corresponder asimismo a unas
ranuras practicadas en la superficie de la guarnición destinada a
entrar en contacto con la placa de soporte y/o a unas ranuras
practicadas en la superficie de la placa de soporte destinada a
entrar en contacto con la guarnición ya que el plano de una u otra
de estas superficies es por lo general paralelo al de la superficie
de fricción. Evidentemente se pueden practicar unas ranuras en las
dos superficies de modo que están enfrentadas cuando se ensamblan la
guarnición y la placa de soporte y que forman así unas cavidades de
una mayor apertura, más fácilmente accesibles para el aire en
movimiento. Las ranuras presentan la ventaja de que se pueden
realizar mediante otros medios que el perforado en la masa. Así es
como se puede realizar sin demasiadas dificultades un mayor número
de canales y aumentar la superficie de intercambio. Con un mayor
número de canales que tienen un diámetro más pequeño pero suficiente
para que el aire en movimiento pueda atravesarlos libremente, se
obtiene un mejor compromiso entre ventilación y resistencia
mecánica.
La placa de soporte puede presentar asimismo
unas protuberancias en su periferia. En este caso, estas
protuberancias están limitadas al volumen disponible: en el
transcurso del movimiento de la pastilla impuesto por el pistón, no
deben entrar en contacto con el disco o con una parte de la brida, o
bien con el alojamiento del pistón. Preferentemente, estas
protuberancias son unas prolongaciones de la placa de soporte que se
extienden sensiblemente siguiendo el plano de la placa de soporte
en la periferia de ésta. En función del volumen disponible, se
pueden equipar estas prolongaciones con aletas que son sensiblemente
perpendiculares al plano de la pastilla y que están orientadas
siguiendo una dirección sensiblemente paralela a la del aire en
movimiento al nivel de la pastilla. El plano de la placa de soporte
es en efecto por lo general paralelo al plano de la superficie de
fricción y el aumento de la masa metálica en el plano de la placa de
soporte y hacia su periferia favorece la transferencia de un flujo
de calor mediante conducción paralelamente al plano de la superficie
de fricción, siendo este flujo tanto más importante cuanto que
estas protuberancias son activamente refrigeradas por el aire en
movimiento.
El aumento de la conductividad térmica en una o
varias direcciones sensiblemente paralelas al plano de la
superficie de fricción puede hacerse por ejemplo proveyendo la
guarnición del freno y/o la placa de soporte de unas varillas
hechas con un material que conduce mejor el calor que el material
constitutivo de la guarnición y/o de la placa de soporte que las
encierra. Así es como se pueden practicar unos agujeros oblongos en
dicha pastilla y/o dicha placa de soporte como está indicado
anteriormente y luego rellenar estos agujeros con unas varillas
buenas conductoras del calor. Estos agujeros pueden ser o bien
perforados en la masa, o bien mecanizados en forma de ranuras en la
superficie que sirve de unión entre la placa de soporte y la
guarnición. Como anteriormente, placa de soporte y guarnición
pueden presentar unas ranuras enfrentadas. Se rellenan las
perforaciones así obtenidas con unas varillas de forma
complementaria constituidas con un material buen conductor del
calor, típicamente unas varillas de cobre. La refrigeración mediante
el aire ambiente se ve favorecida por ejemplo con la utilización de
unas varillas huecas que atraviesan la pastilla de punta a punta.
Asimismo se pueden prolongar estas varillas de modo que su longitud
sobrepase la de los alojamientos practicados en la pastilla para
contenerlas y proveerlas de una protuberancia que ofrezca una
superficie de intercambio mejorada, típicamente unas aletas de
refrigeración. Una disposición de este tipo favorece la
transferencia de un flujo de calor mediante conducción
paralelamente al plano de la superficie de fricción, estando este
flujo tanto más importante cuanto que las varillas son prolongadas
por unas protuberancias activamente refrigeradas por el aire en
movimiento.
La estructura disipadora del calor
característica de la presente invención puede ventajosamente ser
combinada con las pantallas térmicas de la técnica anterior que
están destinadas más particularmente a proteger el cilindro de
freno, el líquido de freno y el pistón.
En el caso de una pastilla con guarnición hecha
con materiales compuestos C/C, que no incluye ninguna placa de
soporte, los agujeros van atravesando preferente y directamente el
material compuesto en la proximidad de la cara orientada hacia el
pistón.
Puede haber un gran número de formas de
realización de la invención. Hemos extraído cuatro ejemplos
particulares, descritos a continuación en tanto que ilustraciones no
limitativas de la invención.
La figura 1 ilustra, en una vista de frente (a)
y en una vista en planta (b), una primera pastilla según la
invención.
La figura 2 ilustra, en una vista de frente (a)
y en una vista en planta (b), una segunda pastilla según la
invención.
La figura 3 ilustra, en una vista de frente (a),
en una vista en planta (b) y en una vista de perfil (c), una
tercera pastilla según la invención, que presenta una guarnición que
tiene la misma geometría que la del primer ejemplo.
La figura 4 ilustra en una vista de frente (a),
en una vista en planta (b) y en una vista de perfil (c), una cuarta
pastilla según la invención, que presenta una guarnición que tiene
la misma geometría que la del primer ejemplo.
Ejemplo
1
La figura 1 ilustra una pastilla 1 de freno de
disco que comprende una placa de soporte (10) de acero y una
guarnición del freno (20) sinterizada que posee una superficie plana
(21) destinada a entrar en contacto mediante fricción con una cara
del disco, denominada superficie de fricción. La guarnición del
freno (20) está fijada en la placa de soporte (10) mediante
soldadura.
La estructura disipadora del calor se obtiene
perforando en la placa de soporte (10) unos agujeros (11) siguiendo
una dirección sensiblemente paralela a la superficie de fricción
(21). Estos agujeros son pasantes: atraviesan de parte a parte la
placa de soporte (10) de modo que el aire puede atravesarlos
libremente. Son unos agujeros cilíndricos paralelos entre sí y cuyo
eje es sensiblemente paralelo al plano de la superficie de
fricción. Estos agujeros están orientados paralelamente a la llegada
de aire.
La placa de soporte (10) tiene un grosor típico
de 8 mm y está inscrita dentro de un rectángulo de alrededor de
80*60 mm. Los 7 agujeros (11) tienen un diámetro de 6 mm, lo cual
permite que la placa de soporte resista bien tanto a la presión
ejercida por el pistón como a los fuertes esfuerzos tangenciales
impuestos en el transcurso del frenado: la sección mínima que debe
resistir a los esfuerzos de cizalladura es aún superior a un 40% de
la sección de la placa de soporte no perforada.
Ejemplo
2
La figura 2 ilustra una pastilla (100) de freno
de disco cuya forma es diferente de la anterior. Comprende asimismo
una placa de soporte (110) de acero y dos guarniciones del freno
(120) y (125) sinterizadas. Las guarniciones presentan una
superficie de fricción (121) cuya extensión total es de alrededor de
un 70% superior a la de la superficie de fricción de la guarnición
del ejemplo 1. Las guarniciones de freno (120) y (125) están fijadas
en la placa de soporte (110) mediante soldadura.
En este ejemplo, es en la guarnición del freno
(120) (ó 125), o más precisamente al nivel de contacto entre la
guarnición de freno y la placa de soporte donde se ha montado la
estructura disipadora del calor. Se han realizado unas ranuras
(123) lineales y paralelas entre sí en la superficie (122) de la
guarnición opuesta a la superficie de fricción (121), siguiendo una
dirección sensiblemente paralela a la superficie de fricción (121).
Una vez ensamblada la guarnición del freno (120) (ó 125) con la
placa de soporte (110), las ranuras (123) constituyen con la pared
de la placa de soporte unos agujeros (111) paralelos entre sí, que
atraviesan la pastilla de parte a parte de modo que el aire puede
atravesarlos libremente. El eje de estos agujeros es sensiblemente
paralelo al plano de la superficie de fricción (121). Como en el
ejemplo anterior, estos agujeros tienen una dirección general
orientada hacia la entrada de aire de la brida.
Las ranuras (123) tienen una profundidad del
orden de 5 mm mientras que el grosor de la guarnición es próximo a
9 mm.
Ejemplo
3
La figura 3 ilustra una pastilla (200) de freno
de disco que comprende una placa de soporte (210) de acero y una
guarnición del freno (220) sinterizada que posee una superficie de
fricción (221). La guarnición del freno (220) está fijada en la
placa de soporte (210) mediante soldadura.
Como en el ejemplo anterior, es en la guarnición
del freno (220), o más precisamente a nivel del contacto entre la
guarnición del freno y la placa de soporte donde se ha montado la
estructura disipadora del calor. Se han realizado unas ranuras
(223) lineales y paralelas entre sí en la superficie (222) de la
guarnición opuesta a la superficie de fricción (221), siguiendo una
dirección sensiblemente paralela a la superficie de fricción (221).
Una vez ensamblada la guarnición del freno (220) con la placa de
soporte (210), las ranuras (223) constituyen con la pared de la
placa de soporte unos agujeros (211) paralelos entre sí, que
atraviesan la pastilla de parte a parte de modo que el aire puede
atravesarlos libremente. El eje de estos agujeros es sensiblemente
paralelo al plano de la superficie de fricción (221). Como en los
ejemplos anteriores, estos agujeros tienen una dirección general
orientada hacia la entrada de aire de la brida.
Las ranuras (223) tienen una profundidad del
orden de 6 mm mientras que el grosor de la guarnición es próximo a
13 mm.
El aumento de la superficie de intercambio está
asimismo asegurando mediante una protuberancia (230) situada en la
periferia de la placa de soporte (210). Esta protuberancia aumenta
la masa de la placa de soporte en cerca de un 50%. Este aumento
está enteramente localizado en la periferia de la placa de soporte,
lo cual favorece el enfriamiento de la guarnición mediante
conducción transversal en la placa de soporte.
Para aumentar el flujo de conducción lateral, la
protuberancia (230) está provista de unas aletas de enfriamiento
(231).
Ejemplo
4
La figura 4 ilustra una pastilla (300) de freno
de disco que comprende una placa de soporte (310) de acero y una
guarnición del freno (320) sinterizada que posee una superficie de
fricción (321). La guarnición del freno (320) está fijada en la
placa de soporte (310) mediante soldadura.
La estructura disipadora del calor se obtiene
practicando unas ranuras cilíndricas semicirculares paralelas en la
superficie (322) de la guarnición (320) opuesta a la superficie de
fricción (321). Una vez ensamblada la guarnición del freno (320)
con la placa de soporte (310), las ranuras constituyen con la pared
de la placa de soporte (310) unos alojamientos destinados a ser
ocupados por unas varillas (330) de cobre, a su vez cilíndricas
semicirculares, cuyo diámetro se ajusta al de las ranuras de modo
que el contacto entre la varilla y la guarnición opone una
resistencia a la transferencia de calor por conducción lo más baja
posible.
En el caso particular de este ejemplo, las
varillas (330) de cobre no están llenas: son unos tubos huecos que
dejan asimismo que el aire atraviese libremente la pastilla de parte
a parte, a través de los agujeros (311). Las varillas (330) están
prolongadas de modo que su longitud sobrepasa la de los alojamientos
practicados en la pastilla. Están ilustradas en la figura 4 con un
extremo (331) simplemente ensanchado. Es posible imaginarse unas
formas más complejas, estando las varillas por ejemplo unidas por
sus extremos con una protuberancia de forma similar a la descrita
en el ejemplo 3.
Claims (11)
1. Pastilla de freno de disco que comprende por
lo menos una guarnición de freno (120, 220, 320) y una placa de
soporte (110, 210, 310), teniendo dicha guarnición por lo menos una
superficie plana (121, 221, 321) destinada a entrar en contacto por
fricción con una cara del disco, estando dicha pastilla de freno
provista de una estructura disipadora del calor (111, 211 y 231, 330
y 311) que conduce el flujo de calor a disipar en por lo menos una
dirección sensiblemente paralela al plano de dicha superficie de
fricción, caracterizada porque se inserta dicha estructura
disipadora de calor en la unión entre dicha guarnición y dicha placa
de soporte.
2. Pastilla de freno de disco según la
reivindicación 1 en la que se inserta dicha estructura disipadora
de calor en dicha guarnición y/o en dicha placa de soporte, en la
unión entre dicha guarnición y dicha placa de soporte.
3. Pastilla de freno de disco según las
reivindicaciones 1 ó 2 en la que la guarnición y/o la placa de
soporte comprende unas ranuras o gargantas que forman después de que
esté colocada dicha guarnición en dicha placa de soporte unos
agujeros (111, 211, 311) cuyos ejes siguen unas direcciones
sensiblemente paralelas al plano de la superficie de fricción (121,
221, 321), siendo estos agujeros pasantes, de modo que el aire
puede atravesarlos libremente.
4. Pastilla de freno de disco según la
reivindicación 3 en la que los ejes de dichos agujeros son
paralelos a una misma dirección que corresponde a la dirección del
aire en movimiento en la proximidad de dicha pastilla.
5. Pastilla de freno de disco según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en la que dicha estructura
disipadora de calor comprende unas protuberancias (230) en la
periferia de la placa de soporte (210), estando dichas
protuberancias preferentemente provistas de unas aletas (231) de
refrigeración.
6. Pastilla de freno de disco según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 en la que dicha estructura
disipadora del calor comprende en dicha guarnición y/o en dicha
placa de soporte, en la unión entre la guarnición (320) y la placa
de soporte (310), unas varillas (330) hechas con un material que
conduce mejor el calor que el material constitutivo de la(s)
pieza(s) (320) que la(s) encierra(n).
7. Pastilla de freno de disco según la
reivindicación 6 en la que dichas varillas (330) ocupan los
alojamientos practicados por dichos agujeros (111, 211, 311)
realizados en la unión de dichas guarnición y placa de soporte.
8. Pastilla de freno de disco según las
reivindicaciones 6 ó 7 en la que dichas varillas (330) son huecas y
delimitan unos agujeros pasantes (311) de modo que el aire puede
atravesarlos libremente.
9. Pastilla de freno de disco según una
cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8 en la que la longitud de
dichas varillas (330) sobrepasa la de los alojamientos practicados
en la pastilla para contenerlas.
10. Pastilla de freno de disco según la
reivindicación 9 en la que dichas varillas (330) están provistas de
una protuberancia que ofrece una superficie de intercambio mejorada,
típicamente unas aletas de refrigeración.
11. Pastilla de freno de disco según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 que comprende asimismo
una chapa que sirve de pantalla térmica de protección del cilindro
de freno, del líquido de freno y del pistón, estando dicha chapa
colocada típicamente entre la placa de soporte y el pistón, entre
la guarnición y la placa de soporte o bien entre la placa de soporte
y una chapa fijada en la placa de soporte y destinada a ser puesta
en contacto con el pistón.
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