ITTO20130307A1 - Metodo per realizzare un elemento frenante, in particolare una pastiglia freno, sensorizzato, pastiglia freno sensorizzata, impianto frenante di veicolo e metodo associato - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“METODO PER REALIZZARE UN ELEMENTO FRENANTE, IN PARTICOLARE UNA PASTIGLIA FRENO, SENSORIZZATO, PASTIGLIA FRENO SENSORIZZATA, IMPIANTO FRENANTE DI VEICOLO E METODO ASSOCIATOâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo per realizzare elementi frenanti, in particolare pastiglie freno, dotati/e di sensori che permettono di rilevare le forze che agiscono sull’elemento frenante durante la fase di frenatura di un veicolo. L’invenzione à ̈ inoltre relativa ad una pastiglia freno sensorizzata ottenuta mediante questo metodo, e ad un impianto frenante di veicoli e metodo di controllo associato che fanno uso della pastiglia freno sensorizzata secondo l’invenzione.

Nei sistemi frenanti di veicoli attualmente in produzione non esiste modo di rilevare, durante l’utilizzo su veicolo, le forze che vengono scambiate in uso tra le pastiglie freno (od i ceppi freno per i veicoli ancora dotati di freni a tamburo) e l’elemento da frenare, disco o tamburo, vincolato alla ruota, se non con l’utilizzo di sistemi esterni. Questo comporta l’impossibilità di rilevare e/o prevedere la generazione di numerosi inconvenienti, che possono andare da un anomalo consumo delle pastiglie freno, ad esempio perché queste “toccano†il disco anche quando il freno non viene azionato, ad esempio a causa di una cattiva registrazione delle pinze freno, piuttosto che rumorosità, vibrazioni e fischi indesiderati durante la frenata. Tali inconvenienti possono portare a situazioni di cattivo funzionamento o anche ad una prematura e spesso inutile sostituzione delle pastiglie freno.

KR2004-48957A tenta di risolvere il problema della generazione di rumore e vibrazione in frenata disponendo degli elementi piezoelettrici dietro al supporto metallico della pastiglia freno, noto come “backplate†, i quali elementi piezoelettrici, in conseguenza delle vibrazioni a cui viene assoggettato in uso il backplate, generano energia elettrica, che viene dissipata alimentandola a dei LED. In questo modo la vibrazione viene smorzata assorbendone l’energia.

Più in generale à ̈ noto usare a scopi sperimentali, elementi (sensori o attuatori) piezoelettrici disposti contro il backplate e verso i lati esterni delle pinze freno, al fine di rilevare le deformazioni del backplate stesso durante test al banco di frenata o per contrastare le vibrazioni che si generano in frenata alimentando elettricamente attuatori piezoelettrici in modo che questi applichino al backplate delle forze che dovrebbero controbilanciare e, quindi, smorzare, le vibrazioni.

Ad esempio, il SAE Technical Paper 2004-01-2773 descrive uno studio condotto dalla Università di Darmstadt nel quale degli elementi piezoelettrici sono accoppiati a sensori accelerometrici e sono usati sia come sensori che come attuatori per la soppressione degli stridii durante la frenata. Lo stesso studio sottolinea comunque come il sistema da esso descritto debba essere considerato come uno strumento di ausilio alla progettazione e non come sistema adatto ad essere usato nella produzione di massa di pastiglie freno.

EP1531110 e GB2478423 descrivono sistemi di frenatura di veicoli dove dei sensori piezolettrici sono disposti, rispettivamente, sul disco freno o tra pistone delle pinze freno e backplate per, rispettivamente, dare un segnale che viene usato da un motore elettrico per registrare la posizione del pistone delle pinze freno o per rilevare rapidamente eventuali fenomeni di bloccaggio ruote durante la frenata.

In ogni caso, à ̈ ritenuto al momento estremamente difficoltoso, se non impossibile, disporre sensori piezoelettrici in prossimità delle pastiglie freno o sulle pastiglie freno stesse, a causa delle elevate temperature e pressioni a cui le pastiglie freno vengono sottoposte durante il processo di produzione o sviluppate durante la frenata, comportando temperature e pressioni di esercizio incompatibili con la maggior parte dei sensori piezoelettrici noti.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un metodo per realizzare in modo semplice ed economico pastiglie freno e, più in generale, elementi frenanti, quindi anche ceppi freno, in cui sia possibile poi, in uso, rilevare la presenza e/o entità di sollecitazioni all’interfaccia tra elemento frenante (pastiglia o ceppo) ed elemento frenato (disco o tamburo freno) durante la frenata.

È anche uno scopo dell’invenzione quello di fornire un elemento frenante, in particolare una pastiglia freno, sensorizzato/a che sia in grado, in uso, di inviare un segnale elettrico proporzionale alle forze applicate sull’elemento frenante in conseguenza del contatto con l’elemento frenato.

È infine uno scopo dell’invenzione quello di fornire un impianto frenante di veicolo ed un metodo associato in cui sia possibile effettuare un controllo attivo o passivo della frenata al fine di eliminare fenomeni quali vibrazioni e stridii indesiderati e/o di segnalare condizioni anomale di funzionamento.

L'invenzione à ̈ dunque relativa ad un metodo per realizzare in modo semplice ed economico elementi frenanti, in particolare pastiglie freno, sensorizzati, come definito nella rivendicazione 1. L’invenzione à ̈ inoltre relativa ad un elemento frenante, in particolare una pastiglia freno, sensorizzato, secondo la rivendicazione 6.

L’invenzione à ̈ inoltre relativa ad un impianto frenante di veicoli secondo la rivendicazione 8 e ad un metodo associato di controllo secondo la rivendicazione 11.

Secondo l’aspetto principale del trovato, almeno un sensore piezoceramico atto ad emettere un segnale elettrico quando assoggettato ad una sollecitazione meccanica e scelto in modo da essere operativo anche a temperature pari o superiori a 200°C (cioà ̈ scelto nel gruppo consistente in sensori piezoceramici con temperature operative massime pari o superiori a 200°C), formato quindi da un materiale piezoceramico con temperatura di Curie maggiore di 200°C, viene solidarizzato direttamente su una prima superficie di un elemento metallico di supporto (cosiddetto backplate) dell’elemento frenante destinata in uso ad essere rivolta verso un elemento da frenare, ad esempio disco o tamburo, di un veicolo; inoltre, prima o immediatamente dopo la fase di solidarizzazione del sensore sull’elemento metallico di supporto (backplate), sulla prima superficie si realizza/si riporta un circuito elettrico per raccogliere il segnale elettrico dell’almeno un sensore ed eventualmente elaborarlo e il circuito elettrico à ̈ connesso con un cavo elettrico solidarizzato all’elemento metallico di supporto e terminante con un connettore; si realizza successivamente uno strato elettricamente isolante sulla prima superficie in modo da racchiudere a pacco tra la prima superficie e lo strato isolante l’almeno un sensore piezoceramico con il relativo circuito elettrico, che rimangono conseguentemente annegati, senza interposizione di alcuna bolla d’aria, nello strato elettricamente isolante; si forma poi sullo strato elettricamente isolante uno strato termicamente isolante e smorzante (noto come underlayer) e sopra quest’ultimo un blocco di materiale d’attrito che à ̈ supportato solidale dall’elemento metallico di supporto; conseguentemente, l’almeno un sensore con il relativo circuito elettrico sono annegati direttamente all’interno nel blocco di materiale d’attrito, dal quale sono però separati per mezzo dello strato elettricamente isolante, anch’esso annegato nel blocco di materiale d’attrito; se necessario, si applica all’almeno un sensore piezoceramico, dopo la fase di formatura del blocco di materiale d’attrito e attraverso il connettore ed il cavo elettrico, una differenza di potenziale prefissata atta a polarizzare o ripolarizzare il materiale piezoceramico del sensore.

Secondo ulteriori aspetti del trovato, sulla prima superficie vengono solidarizzati una pluralità di sensori piezoceramici, eventualmente formati in situ e formati esclusivamente di materiale piezoceramico, disposti spaziati tra loro, preferibilmente secondo una matrice simmetrica, singolarmente attivabili e si connette il circuito elettrico con una centralina di elaborazione, il circuito elettrico potendo comprendere mezzi per elaborare segnali in tensione o capacità/carica emessi dai sensori piezoceramici o essendo atto a fornire alla centralina di elaborazione, separatamente, un segnale elettrico emesso da ciascun sensore.

In questo modo, lo sviluppo di opportuni algoritmi di elaborazione del segnale consentirà la rilevazione e/o diagnostica e/o correzione di diverse possibili anomalie e/o malfunzionamenti.

Ad esempio, se l’impianto frenante del veicolo non à ̈ stato attivato e la centralina riceve invece comunque un segnale da parte di uno o più sensori, si può stabilire che l’elemento frenante, ad esempio una pastiglia freno, “tocca†l’elemento da frenare, ad esempio un disco freno portato da una ruota del veicolo. Allora à ̈ possibile secondo l’invenzione o attivare un segnalatore per avvisare dell’anomalia l’utente, anomalia che potrà essere eliminata, ad esempio, con una semplice registrazione meccanica delle pinze freno, oppure intervenire in automatico sui mezzi attuatori dell’elemento frenante (pistone o pinza) per arretrare lo stesso rispetto all’elemento da frenare. Si elimina così un consumo anomalo delle pastiglie freno e si ottiene un notevole risparmio energetico nella guida del veicolo.

Un ulteriore vantaggio consiste nel fatto che, elaborando opportunamente il segnale emesso da una pluralità di sensori applicati su un singolo elemento frenante secondo uno schema a matrice si possono rilevare eventuali vibrazioni e/o distribuzioni anomale di pressione di contatto tra pastiglia freno e disco che sono causa di usure differenziali e/o di rumori e stridii. Siccome tali condizioni si verificano di solito a seguito di anomale distribuzioni di pressione e/o alla applicazione di valori discreti della pressione di contatto, à ̈ allora possibile ribilanciare la distribuzione delle pressioni o in alcuni casi rilevare la pressione che ha innescato il fenomeno ed azionare l’impianto frenante, ad esempio intervenendo sui mezzi attuatori dell’elemento frenante sensorizzato, in modo da evitare l’applicazione delle pressioni che inducono il fenomeno, applicando ad esempio pressioni maggiori o minori, a seconda delle condizioni di marcia.

Sempre elaborando opportunamente il segnale di più sensori piezoceramici à ̈ inoltre possibile calcolare il coefficiente di attrito istantaneo tra pastiglia freno sensorizzata e disco, fornendo tale valore alla centralina veicolo, che lo potrà associare ai segnali provenienti da altri sistemi (ABS, ESP, eccetera) permettendo così un miglior controllo delle condizioni di frenata, e conseguenti spazi di arresto, del veicolo.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un suo esempio di attuazione non limitativo effettuata a puro scopo esemplificativo e con riferimento alle figure dei disegni annessi, nei quali:

- La figura 1 illustra schematicamente un impianto frenante di veicolo realizzato secondo l’invenzione in vista in elevazione e parzialmente in sezione, effettuata longitudinalmente ad un asse ruota;

- La figura 2 illustra schematicamente, in scala ingrandita, un vista prospettica esplosa di un elemento frenante, nella fattispecie una pastiglia freno, realizzato secondo l’invenzione; e - La figura 3 illustra schematicamente in sequenza nella direzione della freccia la successione di fasi del metodo di realizzazione della pastiglia freno di figura 2.

Con riferimento alle figure da 1 a 3 à ̈ indicato nel suo complesso con 1 un elemento frenante sensorizzato per veicoli, nell’esempio illustrato una pastiglia freno, destinata ad equipaggiare un impianto frenante 2 (figura 1), dotato di un disco 3 (impianto frenante a disco); un disco 3 à ̈ vincolato in modo noto a ciascuna ruota di veicolo (non illustrata per semplicità) e quindi à ̈ rotante intorno ad un asse ruota A.

L’impianto frenante 2 comprende, oltre al disco 3 e per ciascun disco 3 (quindi per ciascuna ruota del veicolo), una pinza freno 4 dotata di un attuatore 5, noto, nell’esempio illustrato del tipo idraulico ad olio 5 ma può essere anche di tipo elettrico, e di una coppia di pastiglie freno 1 portate dalla pinza freno 4 insieme con l’attuatore 5, pastiglie 1 che in uso possono essere premute contro il disco 3 per mezzo dell’attuatore 5, in modo da frenare la rotazione del disco 3 e, con esso, frenare la ruota a cui à ̈ collegato solidale e, di conseguenza, il veicolo equipaggiato con l’impianto 2. L’attuatore 5 descritto à ̈ di tipo idraulico, dotato di un pistone 6 scorrevole in una camera 7 piena d’olio, che viene pressurizzato attraverso una tubazione 8 quando un utente del veicolo aziona il pedale del freno e che, più in generale, à ̈ controllato da una centralina 10 del veicolo.

Ovviamente, l’attuatore 5 può essere anche di tipo elettrico, nel qual caso sarà controllato direttamente dalla centralina 10. È inoltre chiaro che quanto descritto qui sopra e di seguito vale anche per sistemi combinati idraulici-elettrici.

Qui e di seguito si farà specifico riferimento ad un elemento frenante costituito dalla pastiglia freno 1, ma à ̈ chiaro che quanto si dirà à ̈ applicabile identicamente anche ad un ceppo freno di un freno a tamburo, cosicché anche l’impianto frenante 2 appena descritto può essere di tipo misto e comprendere solo due dischi 3 (ad esempio per le ruote anteriori del veicolo) e due tamburi freno (noti e non illustrati per semplicità) per le ruote posteriori, contro i quali cooperano in uso, anziché pastiglie freno 1, elementi frenanti costituiti da ceppi freno.

Con riferimento anche alla figura 2, una pastiglia freno come la pastiglia freno 1 comprende usualmente un elemento metallico di supporto 11, noto come “backplate†, conformato come una piastra piana sagomata al contorno, uno strato smorzante e termicamente isolante 12C, noto come “underlayer†disposto sopra una prima superficie 13 dell’elemento metallico 11 di supporto destinata in uso ad essere rivolta verso un elemento da frenare, nella fattispecie illustrata il disco 3, di un veicolo, ed un blocco 14 di materiale d’attrito supportato solidale dall’elemento metallico 11 di supporto dalla parte della superficie 13 e sopra lo strato smorzante/isolante o underlayer 12C, noto.

È 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 à ̈ facilmente trasferibile per un tecnico del ramo all’ottenimento di ceppi freno sensorizzati.

Secondo un aspetto dell’invenzione, la pastiglia freno 1 (almeno una pastiglia freno 1 per ciascuna coppia di pastiglie freno usate nell’impianto frenante 2 realizzato secondo l’invenzione) à ̈ sensorizzata in modo da poter rilevare le forze che vengono scambiate in uso al contatto tra le pastiglie 1 ed il disco 3.

La pastiglia freno 1 secondo l’invenzione comprende quindi anche almeno un sensore piezoceramico 15 di pressione, selezionato, secondo l’invenzione, in modo da essere, preferibilmente, singolarmente privo di polimeri o componenti polimerici necessari per il suo funzionamento, quali ad esempio film polimerici, ad esempio realizzato interamente in un materiale piezoceramico avente temperatura di Curie maggiore di 200°C, provvisto di opposti poli o terminali 16 di collegamento elettrico. Eventuali componenti o film polimerici possono essere presenti nella misura in cui essi non interferiscono/intervengono nel funzionamento del sensore 15 e servano, ad esempio, solo per il suo ancoraggio.

Secondo l’invenzione, l’almeno un sensore 15 della pastiglia freno 1 à ̈ solidarizzato direttamente sulla superficie 13 dell’elemento metallico 11 di supporto prima di realizzare la pastiglia freno 1 nella sua interezza, quindi prima di formare, con tecniche note, lo strato termicamente isolante e smorzante 12C ed il blocco di materiale d’attrito 14 ed, inoltre, in combinazione, viene realizzato sopra la superficie 13, prima di formare lo strato termicamente isolante/smorzante 12C, un ulteriore strato elettricamente isolante 12B nel quale l’almeno un sensore 15 solidarizzato alla superficie 13 rimane annegato completamente, senza interposizione di bolle d’aria.

Sopra lo strato elettricamente isolante 12B vengono poi realizzati in modo noto lo strato 12C ed il blocco 14 di materiale d’attrito, a completa copertura del/i sensore/i 15 disposto/i sulla superficie 13, in modo che il blocco 14 solidarizzi integrale con il backplate 11 ed in modo che l’almeno un sensore 15 rimane annegato nel blocco smorzante e termicamente isolante 12C, inglobato direttamente all’interno dello stesso con la sola interposizione del relativo strato elettricamente isolante 12B. L’almeno un sensore 15 può occupare solo un punto della superficie 13, oppure essere realizzato come un film ceramico che ricopre tutta o solo parte la superficie 13. Nella fattispecie illustrata in figura 2, la pastiglia freno 1 comprende una pluralità di sensori 15 solidarizzati direttamente sulla superficie 13 e disposti spaziati tra loro, preferibilmente secondo una matrice simmetrica, singolarmente attivabili. La pluralità di sensori piezoceramici 15 sono sensori di pressione disposti spaziati tra loro, preferibilmente secondo una matrice simmetrica, in modo da occupare tutta la superficie 13 ma solo in modo discreto, cioà ̈ in corrispondenza di prefissati punti/porzioni limitate/i della stessa.

I sensori 15 possono essere scelti tra sensori di tipo commerciale, purché selezionati tra quelli esclusivamente piezoceramici e, secondo un aspetto dell’invenzione, devono presentare uno spessore, misurato perpendicolarmente alla superficie 13, uguale od inferiore a quello dello strato smorzante o underlayer 12C, e vengono fissati sulla superficie 13 ad esempio per incollaggio o con altre tecniche note.

In alternativa, i sensori 15 possono essere ricavati direttamente in situ sull’elemento di supporto o backplate 11, sinterizzandoli direttamente sulla superficie 13, vincolati integrali alla stessa. Come materiale piezoceramico per sinterizzare i sensori 15 si può utilizzare, ad esempio, un composto PZT (piombo zirconato titanato) di tipo “morbido†(soft) o “duro†(hard), oppure un composto Bismuto sodio titanato, o metaniobato di piombo modificato. L’elenco qui fornito di possibili materiali non à ̈ limitativo e qualsiasi materiale piezoceramico attualmente noto o che verrà realizzato in futuro e che possegga i requisiti sopra indicati può essere usato nella presente invenzione.

Sempre secondo l’invenzione, la pastiglia freno 1 comprende anche un circuito elettrico 18 illustrato solo in modo del tutto schematico e senza alcuna attinenza con la realtà in figura 2; il circuito 18 raccoglie un segnale elettrico emesso, attraverso i poli o terminali 16, dall’almeno un sensore piezoceramico 15 ed à ̈ eventualmente atto ad elaborarlo, come si dirà. Il circuito 18 à ̈ disposto a contatto con la superficie 13 e con il sensore/i 15, ad esempio à ̈ ricavato direttamente sopra la superficie 13 prima di solidarizzare sulla stessa il sensore /i 15 (come illustrato in figura 3 a tratteggio), oppure à ̈ prestampato sulla faccia dello strato elettricamente isolante 12B rivolta in uso verso la superficie 13 prima della deposizione dello strato 12B sulla superficie 13 stessa, lo strato 12B essendo ad esempio realizzato come un film, con le tecniche note usate per i circuiti stampati e/o i microcircuiti (microchip); ad esempio il circuito 18 viene serigrafato sulla superficie 13 o sulla faccia dello strato 12B rivolta in uso verso la superficie 13 e disposta a contatto con la stessa, ed à ̈ connesso con un cavo elettrico 19 solidarizzato all’elemento metallico di supporto 11. Il cavo elettrico 19 termina (figura 1) con un connettore 20.

Nell’esempio illustrato, in cui la pastiglia 1 comprende una pluralità di sensori 15, questi sono collegati tutti tra loro e con il cavo 19 attraverso il circuito elettrico 18; quest’ultimo à ̈ realizzato in modo da comprendere eventuali mezzi di elaborazione 21 (indicati con un blocco in figura 2) di segnali in tensione o capacità (o carica elettrica) prodotti dalla pluralità di sensori piezoceramici 15; oppure, il circuito 18 à ̈ realizzato in modo da essere atto a fornire lungo il cavo 19, separatamente, un segnale elettrico emesso da ciascun sensore 15 (nel qual caso il cavo 19 sarà un cavo piatto multi segnale).

In ogni caso, l’almeno un sensore 15 (la pluralità di sensori 15) ed il circuito elettrico 18 sono, nella pastiglia freno 1, racchiusi a pacco tra la superficie 13 dell’elemento metallico di supporto 11 e lo strato elettricamente isolante 12B, con sopra disposto lo strato smorzante 12C, nei quali il sensore/i 15 à ̈/sono direttamente annegati con l’interposizione dello strato elettricamente isolante 12B, e sui quali à ̈ sovrapposto il blocco 14 di materiale d’attrito, che à ̈ supportato solidale ed integrale dall’elemento metallico di supporto 11 con l’interposizione dello strato termicamente isolante/smorzante 12C.

Inoltre, secondo un aspetto essenziale dell’invenzione, il cavo 19 con il relativo connettore 20 ed il circuito elettrico 18 sono realizzati in modo da essere atti non solo a ricevere e trasmettere i segnali elettrici trasmessi in uso dal sensore/dai sensori 15, ma, soprattutto sono atti anche a venire connessi, come si vedrà, con mezzi generatori di tensione 25 (figura 3) per polarizzare e/o ripolarizzare il sensore/i 15, che, altrimenti, potrebbe/ro risultare inerte/i o non perfettamente funzionante/i.

Infatti, il sensore/i 15 piezoceramici selezionati secondo l’invenzione per l’uso nelle pastiglie freno (elementi frenanti) 1 non sono realizzati con materiali naturalmente dotati di proprietà piezoelettriche, ma solo con materiali che, grazie alla propria struttura cristallina, diventano dotati di proprietà piezoelettriche solo dopo una adeguata operazione di polarizzazione.

L’impianto frenante 2 secondo l’invenzione, oltre a comprendere gli elementi già indicati, inclusi almeno una (nell’esempio illustrato due) pastiglia/e freno 1 atta/e a cooperare con il disco 3, può comprendere anche una centralina 22 connessa in modo amovibile con il circuito elettrico 18 e con l’almeno un sensore piezoceramico 15 (con la pluralità di sensori 15 disposti secondo uno schema a matrice) attraverso il connettore 20 ed il cavo elettrico 19 di ciascuna pastiglia freno 1.

La centralina 22 può essere portata ad esempio direttamente dalla pinza freno 4 oppure fare parte di una centralina o complesso di centraline del veicolo dotato dell’impianto frenante 2. In ogni caso, la centralina 22 à ̈ collegata con la (o fa parte integrante della) centralina 10 che controlla gli attuatori 5 che, in uso, sono destinati a spingere contro l’elemento da frenare definito dal disco 2 (o da un tamburo freno nel caso di freni a tamburo) il blocco di materiale d’attrito 14 di ciascun elemento frenante costituto da una pastiglia freno 1 (o da un ceppo freno nel caso di freni a tamburo), disposto affacciato all’elemento da frenare.

Con riferimento alla figura 3, à ̈ chiaro da quanto finora descritto che la pastiglia freno 1 (ovvero un qualsiasi analogo elemento frenante 1, come ad esempio un ceppo freno) secondo l’invenzione, viene realizzato mediante il processo o metodo a fasi successive illustrato in modo schematico in figura 3. Tale metodo o processo comprende le fasi di:

a) solidarizzare, direttamente sulla superficie 13 di un elemento metallico di supporto o backplate 11 dell’elemento frenante 1, destinata in uso ad essere rivolta verso l’elemento 3 da frenare, almeno un sensore piezoceramico 15 atto, quando opportunamente polarizzato, ad emettere un segnale elettrico se assoggettato ad una sollecitazione meccanica, sensore 15 scelto in modo da essere preferibilmente privo di componenti polimerici necessari al suo funzionamento e comunque pienamente operativo anche a temperature pari o superiori a 200°C; questa fase può essere realizzata semplicemente incollando o altrimenti fissando sulla superficie 13 dei sensori 15B di tipo commerciale, oppure, come indicato in figura 3, il sensore / i sensori 15 può/possono essere ottenuto/i in situ, formandolo/i (sinterizzandolo/i) a partire da polveri, ad esempio mediante raggi laser 30, secondo una tecnica di formatura nota. In questo caso, il sensore/i sensori 15 presente/i sulla superficie 13 e solidale/i integrale/i al supporto 11 à ̈/sono inattivo/i, essendo ancora privo/i di proprietà piezoelettriche;

b) realizzare a contatto con la superficie 13, ad esempio direttamente sulla stessa prima di solidarizzarvi i sensori 15 (circuito illustrato a tratteggio in figura 3) un circuito elettrico 18 atto a raccogliere in uso il segnale elettrico dei sensori 15 ed eventualmente elaborarlo; tale circuito 18 viene connesso inoltre con un cavo elettrico 19 solidarizzato al backplate 11 e terminante con un connettore 20;

c) realizzare uno strato elettricamente isolante 12B sulla superficie 13 che inglobi i sensori 15 ed il circuito 18, che può essere portato prestampato dallo strato 12B, in modo da racchiudere a pacco tra la superficie 13 e lo strato isolante 12B sia il sensore / i 15 piezoceramico/i, sia il circuito elettrico 18;

c’) realizzare uno strato smorzante e termicamente isolante o “underlayer†12C sulla superficie 13 e direttamente sopra lo strato 12B, che rimane annegato/inglobato nello strato 12C;

d) formare sullo strato isolante 12C un blocco di materiale d’attrito 14 che à ̈ supportato solidale dall’elemento metallico 11 di supporto; e

e) applicare, se necessario, all’almeno un sensore piezoceramico 15 ovvero alla pluralità di sensori 15 puntuali presenti sulla superficie 13, ma solo ed esclusivamente dopo il termine della fase di formatura del blocco di materiale d’attrito 14, e attraverso il connettore 20 ed il cavo elettrico 19, una differenza di potenziale prefissata atta a polarizzare per la prima volta o a ri-polarizzare il materiale piezoceramico con cui sono realizzati i sensori 15.

Tale fase terminale e) viene attuata in pratica sulla pastiglia 1 finita, in cui il blocco 14 di materiale d’attrito à ̈ già stato formato, polimerizzato, e trattato termicamente, collegando il connettore 20 con i mezzi generatori di tensione 25, i quali sono controllati da una centralina 26.

Quando il sensore /i 15 à ̈/sono formato/i in situ direttamente sulla superficie 13 esso/essi à ̈/sono composto/i esclusivamente da un materiale piezoceramico avente temperatura di Curie maggiore di 200°C e non ancora polarizzato. La fase e) sopra descritta à ̈ allora obbligatoria.

La fase di polarizzazione/ri-polarizzazione dell’almeno un sensore piezoelettrico 15, che à ̈ la fase finale del metodo secondo l’invenzione, viene condotta applicando per un intervallo di tempo prefissato, ad esempio compreso tra 5 e 10 secondi, e tramite il cavo 19, agli opposti poli 16 del sensore (di ciascun sensore) 15, una differenza di potenziale che può andare da 0,5 a 5 kV per mm di spessore di materiale piezoceramico di cui à ̈ composto il sensore 15. Lo spessore preferito per i sensori 15, à ̈ di circa 1 mm per cui nella fase di polarizzazione, si applicherà al cavo 19, ad esempio, una tensione di 2500 V.

In questo modo si ottiene una pastiglia finita 1 sensorizzata senza che il processo normale di formatura della pastiglia interferisca con la presenza dei sensori 15, i quali sono inoltre posizionati in modo ottimale per rilevare le pressioni a cui viene assoggettato in uso il blocco di materiale d’attrito 14 e senza interferire con la rigidezza del backplate 11 e, quindi, con le prestazioni attese dalla pastiglia 1.

Con riferimento ancora alla figura 2, nell’impianto frenante secondo l’invenzione, le pastiglie 1 sono preferibilmente sempre munite di una pluralità di sensori 15 disposti secondo una matrice ed il circuito elettrico 18 e comprende eventualmente i mezzi 21 per pre-elaborare i segnali in tensione o capacità (carica elettrica) emessi dai sensori piezoceramici 15 ed inviare quindi lungo il cavo 19 un segnale che informa la centralina 22 (o altra all’uopo programmata e collegata) della configurazione di pressioni agente sul blocco 14, oppure à ̈ realizzato in modo da inviare lungo il cavo 19, separatamente e singolarmente, i segnali emessi da tutti i sensori 15 presenti, i quali saranno elaborati direttamente dalla centralina 22.

In ogni caso, l’impianto frenante 2 comprende mezzi 28 per controllare i mezzi attuatori 5 in responso ad un segnale elettrico inviato alla centralina 22 dal circuito elettrico 18, a sua volta in responso alla attivazione di uno o più sensori 15 della matrice di sensori piezoceramici attivi presente sulla superficie 13. Tali mezzi 28 sono definiti dalla centralina 22 stessa e da una connessione bidirezionale tra la centralina 22 e la centralina 10. Ovviamente, la centralina 10, la centralina 22 ed i mezzi 28 possono essere realizzati semplicemente via software, mediante una opportuna programmazione di una centralina di controllo già presente sul veicolo.

In aggiunta o in alternativa a quanto sopra indicato, l’impianto frenante 2 può comprendere mezzi segnalatori 29 attivabili dalla centralina 22 in responso ad un segnale elettrico emesso da almeno un sensore piezoceramico 15 attivo presente sulla superficie 13, in assenza di attivazione dei mezzi attuatori 5, condizione che la centralina 22 può verificare attraverso il collegamento/interfacciamento con la centralina 10.

L’impianto frenante 2 può infine comprendere anche mezzi capacitori 40 associati alla centralina 22 e che, almeno a veicolo in marcia, vengono mantenuti elettricamente caricati dalla centralina 22 ad esempio per mezzo di una batteria 41 del veicolo e che sono atti, sotto il controllo della centralina 22, a ri-polarizzare il singolo sensore piezoceramico 15 / la pluralità di sensori piezoceramici 15 presente/presenti sulla superficie 13, attraverso il cavo 19 ed il connettore 20, nel caso in cui la centralina 22 rilevi una anomalia o assenza di segnale emesso dal circuito elettrico 18 verso la centralina 22 quando i mezzi attuatori 5 sono attivi. Questo potrebbe capitare nel caso in cui un uso intenso del freno (ad esempio in discesa) provochi un surriscaldamento delle pastiglie freno 1 che possa depolarizzare in tutto o in parte il sensore/i sensori 15 attivi presenti nelle pastiglie 1.

Da quanto descritto à ̈ chiaro che l’invenzione à ̈ anche relativa ad un metodo di controllo dell’impianto frenante di veicolo comprendente le fasi seguenti:

i) predisporre almeno un elemento frenante sensorizzato, come la pastiglia 1 comprendente una pluralità di sensori piezoceramici 15, disposti spaziati tra loro, preferibilmente secondo una matrice simmetrica, singolarmente attivabili ed un circuito elettrico 18 collegante i sensori piezoceramici 15 tra loro e per mezzo del cavo elettrico 19 e connettore 20 con la centralina di elaborazione 22 o altra equivalente, ad esempio già presente sul veicolo.

ii) elaborare un segnale elettrico fornito dal circuito elettrico 18 e/o da ciascun sensore 15 in responso alla attivazione di uno o più dei sensori piezoceramici 15.

iii) rilevare se l’impianto frenante à ̈ stato attivato, ad esempio interrogando la centralina 10.

iv) in caso negativo attivare i mezzi segnalatori 28, se presenti, oppure i mezzi attuatori 5 dell’elemento frenante sensorizzato 1 in modo da allontanare l’elemento frenante 1 dall’elemento da frenare, nell’esempio illustrato dal disco freno 3. Nel primo caso, senza intervenire sui mezzi attuatori 5, si può avvisare l’utente che la pinza freno 4 non à ̈ ben regolata e che à ̈ necessario effettuare una registrazione che eviterà usure precoci ed un eccessivo consumo di carburante e, con questo compito limitato, la pastiglia freno 1 può comprendere anche solo un sensore 15. Nel secondo caso, che à ̈ quello preferito, si risolverà direttamente il problema, in modo del tutto automatico;

v) in caso positivo verificare se il veicolo sta frenando in modo anomalo mediante una opportuna elaborazione del segnale elettrico emesso da una pluralità di sensori 15 portati da un singolo elemento frenante 1 (ad esempio rilevare se ci sono vibrazioni anomale), rilevare la pressione con cui i mezzi attuatori 5 spingono, anche localmente, l’elemento frenante sensorizzato 1 contro l’elemento da frenare 3, ed intervenire sui singoli mezzi attuatori 5 per non applicare più tale pressione (che ha innescato il fenomeno anomalo) ed applicarne invece un’altra, maggiore e minore, a seconda delle condizioni di marcia del veicolo, consentendo in tale modo l’applicazione di una ottimale distribuzione delle pressioni. Se il veicolo non sta frenando in modo anomalo, l’opportuna elaborazione dei segnali elettrici emessi da una pluralità di sensori 15 disposti sull’elemento frenante 1 permette comunque di fornire informazioni utili, ad esempio alla centralina del sistema ESP, ad esempio per gestire al meglio una frenata di emergenza.

Più in generale, mediante l’invenzione, oltre ad ovviare in modo del tutto automatico alla cattiva registrazione della pinza, si potranno compensare usure non omogenee del materiale d’attrito della pastiglia e soprattutto si eviterà la generazione avvertibile dall’utente di rumori / stridii / vibrazioni in frenata.

Gli scopi del trovato sono dunque pienamente raggiunti.

Inoltre, grazie alla presenza del circuito elettrico 18 e dello strato elettricamente isolante 12B, si può fissare direttamente sul backplate 11 e prima di realizzare il blocco 14 un sensore di usura noto e non illustrato per semplicità, con conseguenti notevoli risparmi economici e semplificazione delle operazioni.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per realizzare elementi frenanti (1) sensorizzati per veicoli, in particolare pastiglie freno, comprendente le fasi di: a) solidarizzare, direttamente su una prima superficie (13) di un elemento metallico di supporto (11) dell’elemento frenante destinata in uso ad essere rivolta verso un elemento da frenare (3), ad esempio disco o tamburo, di un veicolo, almeno un sensore (15) piezoceramico atto ad emettere un segnale elettrico quando assoggettato ad una sollecitazione meccanica e scelto nel gruppo di sensori piezoceramici operativi a temperature pari o superiori a 200°C e preferibilmente privi di componenti attivi polimerici; b) realizzare a contatto con detta prima superficie (13) un circuito elettrico (18) per raccogliere detto segnale elettrico ed eventualmente elaborarlo e connettere detto circuito elettrico (18) con un cavo elettrico (19) solidarizzato a detto elemento metallico di supporto e terminante con un connettore (20); c) realizzare uno strato elettricamente isolante (12B) sopra la prima superficie (13) in modo da racchiudere a pacco tra la prima superficie e lo strato elettricamente isolante (12B) il detto almeno un sensore piezoceramico (15) ed il detto circuito elettrico (18), in modo da inglobarli nello strato elettricamente isolante (12B); c’) realizzare uno strato smorzante e termicamente isolante (12C) direttamente sopra il detto strato elettricamente isolante (12B) e sulla prima superficie (13), in modo che l’almeno un sensore (15) à ̈ direttamente e completamente annegato nello strato smorzante e termicamente isolante (12C) con l’interposizione dello strato elettricamente isolante (12B); d) formare sullo strato smorzante e termicamente isolante (12C) un blocco di materiale d’attrito (14) che à ̈ supportato solidale dall’elemento metallico di supporto (11) ; e e) applicare, se necessario, a detto almeno un sensore piezoceramico (15), dopo la fase di formatura del blocco (14) di materiale d’attrito e attraverso detto connettore (20) e cavo elettrico (19), una differenza di potenziale prefissata in modo da polarizzare o ri-polarizzare un materiale piezoceramico del detto sensore piezoceramico (15).
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto sensore piezoceramico (15) Ã ̈ scelto in modo da presentare uno spessore, misurato perpendicolarmente a detta prima superficie (13), pari od inferiore allo spessore dello strato smorzante e termicamente isolante (12C).
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto almeno un sensore piezoceramico (15) à ̈ formato in situ direttamente sulla detta prima superficie (13) ed à ̈ composto esclusivamente da un materiale piezoceramico avente temperatura di Curie maggiore di 200°C.
4. 4. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che sulla detta prima superficie (13) vengono solidarizzati una pluralità di sensori piezoceramici di pressione (15) disposti spaziati tra loro, preferibilmente secondo una matrice simmetrica, in modo da occupare in modo discreto tutta la detta prima superficie (13); detta pluralità di sensori (15) essendo collegati tutti tra loro e con detto cavo (19) attraverso detto circuito elettrico (18), il quale viene ricavato direttamente sulla detta prima superficie prima di solidarizzare sulla stessa la detta pluralità di sensori e, opzionalmente, ed il quale comprende opzionalmente mezzi (21) di elaborazione di segnali in tensione o capacità/carica elettrica prodotti da detta pluralità di sensori piezoceramici (15).
5. 5. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase di polarizzazione/ri-polarizzazione dell’almeno un sensore piezoelettrico (15) viene condotta applicando per un intervallo di tempo prefissato compreso tra 5 e 10 secondi e tramite detto cavo (19), a opposti poli (16) del sensore, una differenza di potenziale compresa tra 0,5 e 5 kV per mm di spessore di materiale piezoceramico di cui à ̈ composto il sensore (15).
6. 6. Elemento frenante (1), in particolare pastiglia freno, sensorizzato, comprendente un elemento metallico di supporto (11), uno strato smorzante e termicamente isolante (12C) disposto sull’elemento metallico di supporto (11) dalla parte di una prima superficie (13) dell’elemento metallico di supporto (11) destinata in uso ad essere rivolta verso un elemento da frenare (3), ad esempio disco o tamburo, di un veicolo, ed un blocco di materiale d’attrito (14) supportato solidale dall’elemento metallico (11) di supporto dalla parte di detta prima superficie (13) e sopra detto strato smorzante e termicamente isolante (12C); caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre: almeno un sensore piezoceramico (15) di pressione realizzato in un materiale piezoceramico avente temperatura di Curie maggiore di 200°C, che à ̈ stato solidarizzato direttamente sulla prima superficie (13) dell’elemento metallico di supporto (11); un circuito elettrico (18) per raccogliere un segnale elettrico emesso dall’almeno un sensore piezoceramico (15) ed eventualmente elaborarlo, ricavato a contatto della, preferibilmente direttamente sopra la, detta prima superficie (13) e connesso con un cavo elettrico (19) solidarizzato a detto elemento metallico di supporto (11) e terminante con un connettore (20); ed uno strato elettricamente isolante (12B) disposto direttamente sopra la detta prima superficie (13) e direttamente sotto lo strato smorzante e termicamente isolante (12C), detto almeno un sensore (15) e detto circuito elettrico (18) essendo racchiusi a pacco tra la prima superficie (13) dell’elemento metallico di supporto (11) e lo strato elettricamente isolante (12B), con sopra disposto il detto blocco di materiale d’attrito (14) ed il sottostante strato smorzante e termicamente isolante (12C), in modo che l’almeno un sensore à ̈ direttamente e completamente annegato nello strato smorzante e termicamente isolante (12C) con l’interposizione dello strato elettricamente isolante (12B); e detti cavo (19) con connettore (20) e circuito elettrico (18) essendo atti a venire connessi con mezzi generatori di tensione (25;40) per polarizzare detto almeno un sensore (15).
7. 7. Elemento d’attrito sensorizzato (1) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che à ̈ stato ottenuto mediante il metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5.
8. 8. Impianto frenante (2) di veicolo comprendente almeno un elemento frenante sensorizzato (1) secondo la rivendicazione 6, una centralina (22) connessa in modo amovibile con il detto circuito elettrico (18) e con l’almeno un sensore piezoceramico (15) attraverso detto connettore (20) e detto cavo elettrico (19); un elemento da frenare (3), come un disco o tamburo freno, disposto affacciato al detto almeno un elemento frenante (1), mezzi attuatori (5) dell’elemento frenante per spingere il detto blocco di materiale d’attrito (14) dell’elemento frenante contro l’elemento da frenare, e mezzi di supporto (4) per il detto almeno un elemento frenante (1) e per detti mezzi attuatori (5); caratterizzato dal fatto che detto almeno un elemento frenante (1) comprende una pluralità di sensori piezoceramici (15) disposti spaziati tra loro, preferibilmente secondo una matrice simmetrica, singolarmente attivabili; detto circuito elettrico (18) dell’almeno un elemento frenante comprendendo opzionalmente mezzi (21) per elaborare segnali in tensione o capacità/carica elettrica emessi dai detti sensori piezoceramici (15); e detto impianto frenante (2) comprendendo inoltre mezzi (28) per controllare i mezzi attuatori (5) in responso ad un segnale elettrico emesso in responso alla attivazione di uno o più di detta pluralità di sensori piezoceramici (15).
9. 9. Impianto frenante (2) di veicolo comprendente almeno un elemento frenante (1) sensorizzato secondo la rivendicazione 6, una centralina (22) connessa in modo amovibile con il detto circuito elettrico (18) e con l’almeno un sensore piezoceramico (15) attraverso detto connettore (20) e detto cavo elettrico (19); un elemento da frenare (3), come un disco o tamburo freno, disposto affacciato al detto almeno un elemento frenante, mezzi attuatori (5) dell’elemento frenante per spingere il detto blocco di materiale d’attrito (14) dell’elemento frenante contro l’elemento da frenare, e mezzi di supporto (4) per il detto almeno un elemento frenante e per detti mezzi attuatori; caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre mezzi segnalatori (29) attivabili in responso ad un segnale elettrico emesso dal detto almeno un sensore piezoceramico (15) in assenza di attivazione dei mezzi attuatori (5).
10. 10. Impianto frenante (2) secondo la rivendicazione 8 o 9, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi capacitori (40) associati alla detta centralina (22), che, almeno a veicolo in marcia, vengono mantenuti elettricamente caricati dalla centralina per mezzo di una batteria (41) del veicolo e che sono atti, sotto il controllo della centralina (22), a ri-polarizzare il detto almeno un sensore piezoceramico (15) o la detta pluralità di sensori piezoceramici (15) nel caso in cui la centralina rilevi una anomalia o assenza di segnale emesso dal detto circuito elettrico (18) verso la centralina quando i mezzi attuatori (5) sono attivi.
11. 11. Metodo di controllo di un impianto frenante (2) di veicolo comprendente le fasi di: i) predisporre almeno un elemento frenante sensorizzato (1) secondo la rivendicazione 6 e comprendente una pluralità di sensori piezoceramici (15), disposti spaziati tra loro, preferibilmente secondo una matrice simmetrica, singolarmente attivabili ed un circuito elettrico (18) collegante detti sensori piezoceramici (15) tra loro e per mezzo di detto cavo (19) elettrico e connettore (20) con una centralina di elaborazione (22), detto circuito elettrico comprendendo mezzi (21) per elaborare segnali in tensione o capacità/carica emessi dai detti sensori piezoceramici (15) o essendo atto a fornire alla centralina di elaborazione (22), separatamente, un segnale elettrico emesso da ciascun sensore (15); ii) elaborare un segnale elettrico fornito da detto circuito elettrico (18) e/o da ciascun detto sensore (15) in responso alla attivazione di uno o più detti sensori piezoceramici (15); iii) rilevare se l’impianto frenante (2) à ̈ stato attivato; iv) in caso negativo attivare mezzi segnalatori (28), oppure mezzi attuatori (5) dell’almeno un elemento frenante sensorizzato (1) in modo da allontanare lo stesso da un elemento da frenare (3), ad esempio disco o tamburo freno; v) in caso positivo elaborare ulteriormente il detto segnale elettrico per determinare se il veicolo sta effettuando una frenata anomala, in caso di frenata anomala rilevare la pressione con cui i mezzi attuatori (5) spingono il detto almeno un elemento frenante sensorizzato (1) contro l’elemento da frenare ed intervenire sui mezzi attuatori (5) per variare tale pressione e, in caso di frenata non anomala, usare eventualmente tale segnale elaborato per ottimizzare la frenata.