ITMI20131531A1

ITMI20131531A1 - Disco per freni a disco ed impianto frenante dotato di tale disco

Info

Publication number: ITMI20131531A1
Application number: IT001531A
Authority: IT
Inventors: Furio Rozza
Original assignee: Brembo Sgl Carbon Ceramic Brakes S P A
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2015-03-18
Also published as: WO2015040544A2; EP3047173B1; US20160236658A1; CN105874234A; WO2015040544A3; EP3047173A2

Description

DESCRIZIONE

annessa a domanda di brevetto per BREVETTO D’INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo:

“Disco per freni a disco ed impianto frenante dotato di tale disco”

Campo della tecnica

La presente invenzione ha per oggetto un disco per freni a disco ed un impianto frenante comprendente tale disco. L’invenzione si riferisce in particolare ai freni a disco dotati di una fascia di frenatura in materiale composito comprendente una matrice carboniosa ed utilizzati per esercitare un’azione frenante su veicoli. Più in particolare, la presente invenzione si riferisce ai dischi in carbonio ed ai dischi in carbo-ceramica. Un freno a disco comprende una campana ed una fascia radialmente esterna che si estende attorno ad un asse di simmetria e presenta lateralmente superfici di frenatura atte a cooperare con pinze freno del veicolo per esercitare un’azione frenante sul veicolo stesso. In un freno a disco di tipo composito la fascia radialmente esterna comprende una matrice carboniosa.

Stato della tecnica

Sono oggi noti sistemi di recupero di energia utilizzati su autovetture da competizione (ad esempio il sistema di recupero dell’energia cinetica “KERS” in Formula 1) e su autovetture stradali con lo scopo di trasformare l’energia meccanica che viene dissipata durante la frenata in energia elettrica per alimentare, ad esempio, strumenti di bordo e/o per alimentare un motore elettrico collegato alle ruote motrici al fine di avere una riserva di potenza utilizzabile nei momenti di bisogno.

Scopo dell’invenzione

Nell’ambito dei dispositivi di trasformazione di energia (da elettrica a meccanica e viceversa) montati su veicoli, come quello sopra citato, la Richiedente ha osservato che detti dispositivi sono ingombranti e pesanti ed è necessario prevedere, già in fase di progettazione, lo spazio necessario a bordo del veicolo dove alloggiarli.

La Richiedente si è pertanto posta l’obiettivo di integrare almeno in parte un dispositivo per la trasformazione di energia (ovvero una macchina elettrica) in elementi del veicolo già esistenti (che di per sé assolvono ad altri compiti), al fine di contenere dimensioni e pesi del citato dispositivo e di permetterne eventualmente anche l’interazione diretta con detti elementi del veicolo.

Sommario dell’invenzione

La Richiedente ha trovato che tale obiettivo può essere ottenuto integrando parti di una macchina elettrica nell’impianto frenante. In particolare. La Richiedente ha trovato che tale obiettivo può essere ottenuto montando su un disco in materiale composito di un freno a disco gli elementi rotorici di una macchina elettrica rotante mentre gli altri componenti della macchina elettrica, compresi gli elementi statorici, sono solidali al veicolo.

L’obiettivo sopra indicato viene sostanzialmente raggiunto da un disco per freni a disco e da un impianto frenante secondo una o più delle unite rivendicazioni. Aspetti dell'invenzione sono qui di seguito illustrati.

Più specificatamente, secondo un aspetto, la presente invenzione riguarda un disco per freni a disco, comprendente una campana ed una fascia radialmente esterna che si estende attorno ad un asse di simmetria, detta fascia radialmente esterna presentando lateralmente superfici di frenatura atte a cooperare con pinze freno per esercitare un’azione frenante su un veicolo, detta fascia radialmente esterna essendo in materiale composito comprendente fibre di carbonio; caratterizzato dal fatto di comprendere elementi rotorici di una macchina elettrica rotante atti a cooperare con elementi statorici di detta macchina elettrica rotante montati sul veicolo.

Secondo un diverso aspetto, la presente invenzione riguarda un impianto frenante, comprendente: un disco comprendente almeno le caratteristiche sopra definite; una pinza freno disposta a cavallo del disco; una macchina elettrica rotante comprendente gli elementi rotorici del disco ed elementi statorici montati sul veicolo.

Per “macchina elettrica rotante” si intende nella presente descrizione e nelle allegate rivendicazioni, un dispositivo atto a convertire energia elettrica in energia meccanica e/o energia meccanica in energia elettrica, ovvero un motore o un generatore, sfruttando l’induzione elettromagnetica.

La Richiedente ha innanzitutto verificato che, essendo parzialmente integrata nel disco dell’impianto frenante, la macchina elettrica secondo l’invenzione risulta più compatta e leggera dei dispositivi di trasformazione di energia di tipo noto installati su veicoli.

La Richiedente ha inoltre verificato che l’invenzione garantisce un’interazione diretta della macchina elettrica con le ruote del veicolo, come verrà più avanti dettagliato, senza l’interposizione di altri elementi di trasmissione che comporterebbero negative dissipazioni di energia.

La Richiedente ha anche verificato che la quantità di energia recuperabile con il disco e l'impianto in accordo con la presente invenzione è equiparabile almeno alla quantità di energia recuperabile con i sistemi noti, come il “KERS”.

La presente invenzione, in almeno uno dei suddetti aspetti, può presentare una o più delle caratteristiche preferite che qui di seguito sono descritte.

Preferibilmente, gli elementi rotorici sono integrati nel disco freno.

Preferibilmente, gli elementi rotorici sono associati alla fascia radialmente esterna. La Richiedente ha verificato che tale collocazione degli elementi rotorici risulta efficace per il fatto che il materiale composito della fascia radialmente esterna del disco (in carbonio e/o carbo-ceramica) presenta una permeabilità magnetica “μ“ sufficientemente alta da garantire una corretta distribuzione dei campi magnetici tra gli elementi rotorici e quelli statorici e quindi il corretto funzionamento della macchina elettrica che invece dischi metallici tradizionali non consentirebbero. Preferibilmente, la fascia radialmente esterna comprende una matrice ceramica, preferibilmente in carburo di silicio, rinforzata con fibre di carbonio.

Preferibilmente, la fascia radialmente esterna comprende una matrice di fibra di carbonio, preferibilmente in tessuto, rinforzata con fibre di carbonio.

Preferibilmente, la fascia radialmente esterna comprende strati protettivi, preferibilmente ceramici, su entrambe le superfici frenanti.

Preferibilmente, gli elementi rotorici sono annegati nel materiale composito. Più preferibilmente, l’annegamento viene eseguito durante la produzione dei dischi in composito. In una forma realizzativa, la fascia radialmente esterna è realizzata sottoponendo a calore e pressione polveri di resine e fibre di carbonio inserite in uno stampo in cui ad esempio gli elementi magnetici sono anch’essi inseriti in detto stampo. In una diversa forma realizzativa, la fascia radialmente esterna è realizzata accoppiando e/o sagomando opportunamente pezze e/o strisce di tessuto in fibra di carbonio e sottoponendo il semilavorato a calore e pressione in cui, ad esempio, gli elementi magnetici sono inseriti tra dette pezze/strisce ad esempio sotto forma di fogli.

Preferibilmente, gli elementi rotorici sono inseriti in alloggiamenti ricavati nel materiale composito. Più preferibilmente, gli elementi rotorici sono associati al disco una volta che il disco (ottenuto ad esempio con i metodi sopra descritti) è sostanzialmente finito e sagomato in modo da presentare detti alloggiamenti.

Preferibilmente, gli elementi rotorici sono ricoperti da uno strato protettivo, preferibilmente ceramico, atto a venire a contatto con pastiglie della pinza freno. In questo modo, viene evitato il contatto diretto tra le pastiglie e gli elementi rotorici anche se questi ultimi giacciono in corrispondenza delle superfici di frenatura.

Preferibilmente, gli elementi rotorici sono collocati in una posizione radialmente più interna delle superfici di frenatura. In tale posizione gli elementi rotorici, sia che siano annegati e coperti dal materiale composito sia che siano scoperti e, ad esempio, a filo dello stesso, non interferiscono con le pastiglie della pinza freno che agiscono a contatto con le superfici di frenatura.

Preferibilmente, il disco presenta canali di ventilazione e gli elementi rotorici sono posizionati in detti canali di ventilazione. I canali di ventilazione sono delimitati all'interno della fascia radialmente esterna tra le due superfici di frenatura, presentano preferibilmente uno sviluppo sostanzialmente radiale e gli elementi rotorici occupano, preferibilmente in parte, detti canali.

Gli elementi rotorici possono essere indotti o induttori a seconda della struttura della macchina elettrica rotante. Analogamente gli elementi statorici possono essere induttori o indotti.

In una forma realizzativa, gli elementi rotorici sono avvolgimenti indotti.

In una forma realizzativa, gli elementi rotorici comprendono elettromagneti induttori con bobine magnettizanti.

In una forma realizzativa, gli elementi rotorici sono magneti permanenti induttori.

Preferibilmente, i magneti permanenti definiscono un anello coassiale all’asse di simmetria del disco. Tale geometria assicura una distribuzione omogenea di masse intorno all’asse di rotazione del disco in modo da evitare il manifestarsi di fastidiose vibrazioni.

In una forma realizzativa, se la struttura della macchina elettrica rotante lo richiede, possono essere previsti collettori ad anello che strisciano sugli elementi rotorici per condurre la corrente da detti elementi rotorici al veicolo o viceversa. Gli elementi statorici possono essere, ad esempio, avvolgimenti indotti, elettromagneti induttori con bobine magnettizanti, magneti permanenti induttori, In una forma realizzativa, gli elementi statorici sono integrati nella pinza freno. In una forma realizzativa, è previsto un corpo ausiliario fisso rispetto alla pinza freno, accostato al disco e comprendente gli elementi statorici. In questo caso, il corpo ausiliario è dedicato a portare gli elementi statorici.

Preferibilmente, il corpo ausiliario si sviluppa per un settore circolare.

Preferibilmente, il corpo ausiliario si sviluppa per tutto lo sviluppo circonferenziale del disco.

Preferibilmente, il corpo ausiliario è posto a cavallo del disco.

Preferibilmente, il corpo ausiliario presenta una collocazione simile a quella della pinza freno e, preferibilmente, anche una sagoma esterna simile a quella di detta pinza freno.

In una forma realizzativa, il corpo ausiliario e la pinza freno formano un corpo unico distribuito attorno al disco.

In una forma realizzativa, gli elementi statorici sono integrati sia nella pinza freno che collocati nel corpo ausiliario.

Preferibilmente, il corpo ausiliario è posizionato dalla parte opposta di un attacco del disco ad una ruota ed affacciato al disco.

Preferibilmente, il corpo ausiliario è calettato sul corpo tubolare fisso che porta l’albero della ruota.

In questo modo, il corpo ausiliario rimane nascosto e protetto dietro al disco.

Preferibilmente, la macchina elettrica rotante comprende un dispositivo di controllo configurato per controllare la conversione di energia da meccanica a elettrica e, preferibilmente, anche viceversa.

Il dispositivo di controllo può essere almeno in parte alloggiato nel corpo ausiliario e/o nella pinza freno.

Il dispositivo di controllo è preferibilmente configurato per comandare la macchina elettrica come generatore ed accumulare energia elettrica. La macchina elettrica è pertanto collegata ad un accumulatore a bordo del veicolo.

Preferibilmente, il dispositivo di controllo è configurato per comandare la macchina elettrica come generatore nelle fasi di frenata del veicolo, in modo da recuperare parte dell’energia cinetica che altrimenti sarebbe dissipata.

Il dispositivo di controllo può essere configurato per comandare la macchina elettrica come generatore durante la marcia del veicolo assorbendo però parte della potenza motrice del motore endotermico.

Preferibilmente, il dispositivo di controllo è configurato per comandare la macchina elettrica come motore e controllare una coppia motrice elettromagnetica applicata al disco. E’ ad esempio possibile utilizzare la coppia elettromagnetica in brevi istanti di tempo per integrare la potenza del motore endotermico e/o per viaggiare ad emissioni zero oppure per integrare la coppia frenante meccanica della pinza freno.

L’energia elettrica accumulata nell’accumulatore può anche essere utilizzata per alimentare un ulteriore e diverso motore elettrico operativamente accoppiato all’albero motore.

Il sistema frenante secondo l’invenzione può essere implementato su almeno uno dei semiassi di un veicolo, preferibilmente sui due semiassi anteriori o sui due semiassi posteriori, più preferibilmente su tutti i semiassi.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi appariranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di una forma d’esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un metodo per incrementare le prestazioni di un pneumatico per ruote di autovetture e di un pneumatico per ruote di autovetture in accordo con la presente invenzione.

Breve descrizione dei disegni

Tale descrizione verrà esposta qui di seguito con riferimento agli uniti disegni, forniti a solo scopo indicativo e, pertanto, non limitativo, nei quali:

- la figura 1 mostra una vista schematica di un impianto frenante secondo la presente invenzione;

- la figura 2 è una vista laterale dellimpianto frenante di figura 1 ;

- la figura 3 illustra una vista schematica di una variante realizzativa dell’impianto di figura 1;

- la figura 4 è una vista laterale dell’impianto frenante di figura 2.

Descrizione dettagliata di realizzazioni preferite dell’invenzione

Con il numero di riferimento 1 è indicato in figura 1 nel complesso un impianto frenante secondo la presente invenzione. L’impianto 1 comprende un disco 2 di tipo carbo-ceramico e una pinza 3. Il disco 2 comprende una campana 4, ad esempio in materiale metallico, dotata di attacchi 5 per la giunzione al cerchio di una ruota di un veicolo. Attorno alla campana 4 e solidale alla stessa è collocata una fascia radialmente esterna 6 che costituisce il disco vero e proprio ed è realizzata in una matrice ceramica in carburo di silicio rinforzata con fibre di carbonio. Le superfici contrapposte della fascia radialmente esterna 6 sono rivestite di rispettivi strati protettivi 7 in materiale ceramico. La fascia radialmente esterna illustrata nelle allegate figure presenta inoltre canali di ventilazione 6a ricavati nello spessore della fascia stessa 6 che si sviluppano lungo direzioni sostanzialmente radiali e si aprono in corrispondenza di un bordo radialmente periferico di detta fascia 6.

La fascia radialmente esterna 6 è ottenuta, ad esempio, mediante le seguenti fasi:

- preparare una miscela comprendente almeno filamenti di fibre di carbonio e almeno un legante organico;

- formare in uno stampo la suddetta miscela per ottenere un corpo sagomato; - pirolizzare il corpo sagomato per ottenere una struttura carboniosa porosa; - infiltrare con silicio la struttura carboniosa per ottenere la suddetta struttura composita ceramica sostanzialmente a base di carbonio, silicio e carburi di silicio;

- deporre il rivestimento protettivo sulle superfici contrapposte.

In una variante realizzativa, la fascia radialmente esterna 6 è realizzata in tessuto di carbonio rinforzato con fibre di carbonio.

La pinza 3 è posta a cavallo del bordo radialmente periferico della fascia radialmente esterna 6 ed è solidale al telaio del veicolo o meglio al corpo tubolare fisso 8 che porta l’albero rotante 9 solidale al disco 2 e alla ruota. La pinza 3 comprende pastiglie di frenatura 10 contraffacciate a rispettive superfici di frenatura 11 della fascia radialmente esterna 6 e atte a cooperare con la pinza freno 3 per esercitare un’azione frenante sul veicolo.

L’impianto frenante 1 comprende inoltre una macchina elettrica rotante almeno parzialmente in esso integrata.

Detta macchina elettrica rotante comprende una pluralità di elementi rotorici 12 inseriti nella fascia radialmente esterna 6 del disco 2. Nella forma realizzativa illustrata nelle figure 1 e 2, detti elementi rotorici 12 sono magneti permanenti disposti lungo un percorso circolare coassiale all’asse di simmetria “X-X” del disco 2 (asse di rotazione della ruota) ed inseriti in cave 13 ricavate nel materiale composito della fascia radialmente esterna 6. I magneti permanenti 12 giacciono a filo della rispettiva superficie della fascia radialmente esterna 6 e sono coperti dal rispettivo strato di copertura 7. I magneti permanenti 12 sono inoltre radialmente collocati in corrispondenza di una delle superfici dì frenatura 11. Le cave 13 vengono sagomate, ad esempio, nella fase di formatura nello stampo della suddetta miscela ed i magneti permanenti 12 sono inseriti successivamente, prima dell’applicazione degli strati di copertura 7. In alternativa, i magneti permanenti 12 possono essere inseriti direttamente nello stampo a vanno loro stessi a sagomare le cave 13 in cui alloggiano.

La macchina elettrica rotante comprende una pluralità di elementi statorici 14 accoppiati elettromagneticamente agli elementi rotorici 12. Gli elementi statorici 14, rappresentati schematicamente nelle figure 1 e 2, sono avvolgimenti indotti e sono elettricamente collegati ad un dispositivo di controllo 15 della macchina stessa e ad un accumulatore 16 (schematicamente illustrati in figura 1). Nella forma realizzativa di figure 1 e 2, detti elementi statorici 14 sono installati in una porzione della pinza freno 3 e in un corpo ausiliario 17. Il corpo ausiliario 17 è montato a cavallo del bordo radialmente periferico della fascia radialmente esterna 6 ed è solidale al telaio del veicolo o meglio al corpo tubolare fisso 8 che porta l’albero rotante 9 solidale al disco 2 e alla ruota. Il corpo ausiliario 17 è installato sul disco 2 in una posizione diametralmente opposta rispetto alla pinza freno 3 (figura 2). In varianti realizzative non illustrate della forma sopra descritta, detti elementi statorici 14 sono installati solo nella pinza freno 3 o solo nel corpo ausiliario 17.

Nella forma realizzativa illustrata nelle figure 3 e 4, gli strati di copertura 7 (della forma realizzativa di figure 1 e 2) non sono presenti e i magneti permanenti 12 sono posizionati in una zona radialmente interna rispetto alle superfici di frenatura 11 sulle quali agisce la pinza 3.

Inoltre, gli elementi statorici 14 hanno una diversa collocazione. In particolare, gli elementi statorici 14 sono montati in un corpo ausiliario 18 calettato sul corpo tubolare fisso 8 che porta l’albero rotante 9 solidale al disco 2. Gli elementi statorici 14 sono disposti attorno all’asse di simmetria “X-X” lungo un percorso circolare e risultano assialmente affacciati ai magneti permanenti 12.

In altre forme realizzative non illustrate, gli elementi rotorici 12 sono collocati nei condotti di ventilazione 6a e/o in altre parti della fascia radialmente esterna 6, completamente immersi/annegati nel materiale composito.

La macchina elettrica rotante descritta può funzionare come generatore e/o come motore.

In una forma realizzativa preferita, la macchina elettrica rotante è un generatore. La rotazione delle ruote, dei dischi freno 2 ad esse solidali e dei magneti permanenti 12 genera una corrente negli avvolgimenti degli elementi statorici 14. L’energia meccanica trasformata in energia elettrica viene immagazzinata nell’accumulatore 16.

È preferibile che tale operazione avvenga in fase di frenata, ovvero quando il motore endotermico non applica un coppia motrice alle ruote. In tal caso, è l’energia associata alla coppia frenante esercitata dalle pinze che viene trasformata in energia elettrica.

A tale scopo, il dispositivo di controllo 15 controlla la conversione di energia in modo da assicurare che tale recupero sia possibile.

E’ comunque possibile che la conversione avvenga anche quando il veicolo è in marcia con il motore che trasmette coppia alle ruote. In tale condizione però è proprio parte della potenza del motore endotermico che viene trasformata in energia elettrica.

In una forma realizzativa preferita, la macchina elettrica rotante è anche un motore. L’energia elettrica accumulata nell’accumulatore 16 alimenta gli elementi statorici 14 che inducono una coppia motrice elettromagnetica sul rotore, ovvero sul disco freno 2 e sulla ruota ad esso associati. Tale coppia motrice elettromagnetica può essere usata per integrare la coppia del motore endotermico in accelerazione o l’azione delle pinze in frenata.

In una forma realizzativa alternativa, l’energia immagazzinata nell’accumulatore 16 può essere trasferita alla batterìa di un veicolo ibrido/elettrico, in modo da aumentarne la durata, garantendo una maggior percorrenza chilometrica e/o maggiore potenza del veicolo.

In una variante realizzativa, l’energia accumulata può essere utilizzata per alimentare un ulteriore e diverso motore elettrico operativamente accoppiato all’albero motore.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Disco per freni a disco, comprendente una campana (4) ed una fascia radialmente esterna (6) che si estende attorno ad un asse di simmetria (X-X), detta fascia radialmente esterna (6) presentando lateralmente superfici di frenatura (11) atte a cooperare con pinze freno (3) per esercitare un’azione frenante su un veicolo, detta fascia radialmente esterna (6) essendo in materiale composito comprendente fibre di carbonio; caratterizzato dal fatto di comprendere elementi rotorici (12) di una macchina elettrica rotante (12, 14, 15, 17; 12, 14, 15, 18) atti a cooperare con elementi statorici (14) di detta macchina elettrica rotante (12, 14, 15, 17; 12, 14, 15, 18) montati sul veicolo.
2. Disco secondo la rivendicazione 1, in cui gli elementi rotorici (12) sono associati alla fascia radialmente esterna (6).
3. Disco secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui gli elementi rotorici (12) sono annegati nel materiale composito.
4. Disco secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, in cui gli elementi rotorici (12) sono inseriti in alloggiamenti (13) ricavati nel materiale composito.
5. Disco secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui gli elementi rotorici (12) sono collocati in una posizione radialmente più interna delle superfici di frenatura (11).
6. Disco secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui gli elementi rotorici (12) sono ricoperti da uno strato protettivo (7), preferibilmente ceramico, atto a venire a contatto con pastiglie (10) della pinza freno (3).
7. Disco secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il disco (2) presenta canali di ventilazione (6a) e gli elementi rotorici (12) sono posizionati in detti canali di ventilazione (6a).
8. Disco secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui gli elementi rotorici (12) sono magneti permanenti.
9. Impianto frenante, comprendente: un disco (2) secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 8; una pinza freno (3) disposta a cavallo del disco (2); una macchina elettrica rotante (12, 14, 15, 17; 12, 14, 15, 18) comprendente gli elementi rotorici (12) del disco (2) ed elementi statorici (14) montati sul veicolo.
10. Impianto frenante secondo la rivendicazione 9, in cui gli elementi statorici (14) sono integrati nella pinza freno (3).
11. Impianto frenante secondo la rivendicazione 9, comprendente un corpo ausiliario (17; 18) fisso rispetto alla pinza freno (3), accostato al disco (2) e comprendente gli elementi statorici (14).
12. Impianto secondo la rivendicazione 11, in cui in cui il corpo ausiliario (17) è posto a cavallo del disco (2).
13. Impianto secondo la rivendicazione 11, in cui il corpo ausiliario (18) è posizionato dalla parte opposta di un attacco (5) del disco (2) ad una ruota ed affacciato al disco (2).
14. Impianto secondo la rivendicazione 11 o 13, in cui il corpo ausiliario (17) è calettato su un corpo tubolare (8) portante l’albero (9) della ruota.
15. Impianto secondo una delle rivendicazioni da 9 a 14, comprendente un dispositivo di controllo (15) configurato per comandare la macchina elettrica rotante (12, 14, 15, 17; 12, 14, 15, 18) come generatore.
16. Impianto secondo la rivendicazione 15, in cui il dispositivo di controllo (15) è configurato per comandare la macchina elettrica rotante (12, 14, 15, 17; 12, 14, 15, 18) come motore e controllare una coppia motrice elettromagnetica applicata al disco (2).