ES2215419T5 - Unidad de freno. - Google Patents
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Abstract
Unidad de freno (10), que comprende por lo menos dos zapatas de freno (20a, 20b), con un respectivo forro de fricción (21a; 21b), y por lo menos un rotor de disco de freno (11), como asimismo comprende por lo menos un dispositivo de aplicación de freno (30) que, durante el proceso del frenado, actúa sobre las zapatas de freno (20a, 20b); a este efecto, están previstos por lo menos dos dispositivos de aplicación de freno (30), que actúan sobre por lo menos dos zapatas de freno (20a, 20b); en este caso, las zapatas de freno están provistas de unos forros de fricción individuales con los respectivos dispositivos de aplicación de freno asignados de forma individual, y los por lo menos dos dispositivos de aplicación de freno (30) están realizados de tal modo, que - durante un proceso de frenado - el apriete, que actúa sobre las zapatas de freno (20a, 20b), pueda actuar de una manera esencialmente uniforme sobre la superficie de fricción (12a, 12b); unidad de freno ésta que está caracterizada porque: - Las superficies exteriores del rotor de disco de freno (11) constituyen - por lo menos parcialmente una respectiva superficie de fricción (12a, 12b), hecha de un material compuesto de metal y de cerámica (material de tipo CMC), para un correspondiente forro de fricción (21a, 21b); - Están previstos por lo menos dos émbolos (31, 32) por cada zapata de freno (20a, 20b); así como caracterizada porque: - Los forros de fricción (21a, 21b) de las zapatas de freno (20a, 20b) cubren por lo menos un 15% de la superficie de fricción (12a, 12b) del rotor de disco de freno (11).
Description
Unidad de freno.
La presente invención se refiere a una unidad de
freno, que posee por lo menos dos zapatas de freno, con un
respectivo forro de freno, y con por lo menos un rotor de disco de
freno, constituyendo las superficies exteriores del rotor de disco
de freno - por lo menos en parte - una respectiva superficie de
fricción, hecha de un material compuesto de metal y de cerámica
(CMC), para un correspondiente forro de fricción; como asimismo
posee esta unidad de freno por lo menos un dispositivo de
aplicación de freno, que actúa - durante el proceso del frenado -
sobre las zapatas de freno.
Las convencionales unidades de freno, sobre todo
en los vehículos automóviles, tienen normalmente unos rotores de
disco de freno hechos de un material de fundición de hierro como,
por ejemplo, de fundición gris. Existe, sin embargo, la tendencia
de que sean empleados unos rotores de disco de freno hechos de un
material compuesto de cerámica y de metal o bien de que por lo
menos las superficies de fricción de estos rotores de disco de
freno estén hechas de un material compuesto de cerámica y de metal.
Las partes componentes de este tipo son conocidas, por ejemplo, a
través de la Patente Alemana Núm. DE 44 38 456 A1.
La Patente genérica Núm. 5.477.944 de los
Estados Unidos describe una unidad de freno, con un asiento de freno
en cuyos brazos están dispuestos los forros de freno. A este
efecto, en el asiento del freno están previstos dos dispositivos de
aplicación de freno, cada uno de los cuales aprieta dos forros de
freno contra el disco de freno.
Al ser empleados los rotores de disco de freno
de esta clase en unas unidades de freno realizadas de manera
convencional, se presentan, sin embargo, en las superficies de
fricción - sobre todo en los procesos de frenado con un elevado
rendimiento de frenado - unas temperaturas, que están claramente por
encima de las temperaturas producidas en unos comparables rotores
de disco de freno hechos de un material de fundición de hierro y las
que no son compatibles con los forros de fricción de las zapatas de
freno empleadas normalmente. De ello resultan los llamados
fenómenos de un "fading" o atenuación de frenado así como un
más elevado desgaste en los forros de fricción.
Por consiguiente, la presente invención tiene el
objeto de proporcionar una unidad de freno de la clase arriba
mencionada, en la cual los rotores de disco de freno, con unas
superficies de fricción hechas de un material compuesto de cerámica
y de metal, puedan ser combinados, de una manera compatible, con
unos forros de freno normales.
La solución consiste en las características de
la reivindicación 1.
Por lo tanto, según la presente invención está
previsto que el inconveniente de una más reducida compatibilidad de
temperatura de los forros de fricción sea compensado por un aumento
en la superficie de los forros de freno, la cual actúa sobre la
superficie de fricción del rotor de disco de freno; en este caso,
los forros de freno al mismo tiempo se encuentran apretados -
gracias a una aplicación más homogénea de las fuerzas tensoras - de
lo más uniforme posible contra la superficie de fricción de los
rotores de disco de freno, de tal manera que no se pueda producir
ninguna densidad de corriente térmica localmente incrementada.
Unas convenientes ampliaciones de la forma de
realización de la presente invención se pueden desprender de las
reivindicaciones secundarias.
Según otra conveniente ampliación de la forma de
realización de la invención, es así que está previsto un
dispositivo de aplicación de freno, que actúa sobre por lo menos dos
zapatas de freno; a este efecto, están previstos dos émbolos por
cada zapata de freno. De este modo, resulta que las zapatas de freno
- bajo la acción de dos o más émbolos, de forma preferente de dos
hasta cuatro émbolos - son apretadas de tal manera, que quede
asegurado un apriete uniforme, incluso bajo la acción del par de
frenado. Según otra forma para la realización de la presente
invención, es así que está previsto un dispositivo de aplicación de
freno, que actúa sobre por lo menos cuatro zapatas de freno; a este
efecto, están previstos dos émbolos por cada zapata de freno. Por
consiguiente, en este caso se trata de unos dispositivos de
aplicación de freno realizados de una manera relativamente sencilla
con unos asientos de varios émbolos, preferentemente de asientos con
dos, tres o con cuatro émbolos. Cuanto más émbolos estén dispuestos
por cada asiento, tanto más conveniente será prever o unos forros
de fricción comprimibles o bien una capa intermedia comprimible
entre el forro de fricción y el asiento, cada uno con una
compresibilidad preferentemente de más de una micra por bar de
presión del líquido de freno.
Otra conveniente forma de realización de la
presente invención consiste en el hecho de que están previstos
varios forros de fricción individuales, con los respectivos
dispositivos de aplicación de freno individuales. Esto puede ser
efectuado a través de unos asientos de émbolo único o de unos
asientos de émbolos múltiples, en los cuales están dispuestas una
zapata de freno o bien varias zapatas de freno, preferentemente de
dos hasta seis, de forma especialmente preferente o cuatro o seis
zapatas de freno. De una manera conveniente, las superficies de
fricción de estas zapatas de freno son grandes en el sentido radial,
pero son relativamente pequeñas en la dirección circunferencial.
Además, por lo menos un dispositivo de
aplicación de freno puede tener unos elementos de compensación
mecánicos y/o electrónicos, que están realizados de tal modo, que
las fuerzas tensoras estén distribuidas de una manera uniforme -
por medio del principio de las palancas equilibradas - sobre varios
forros de fricción. Con ello se consigue una mejora en el apriete.
Asimismo por el empleo de unos forros de fricción con una
compresibilidad de más de una micra por bar de presión del líquido
de freno y/o por el empleo de una capa intermedia - prevista entre
los forros de fricción y el dispositivo de aplicación de freno y con
una compresibilidad de una micra por bar de presión del líquido de
freno - puede ser conseguida una mejora en el apriete entre el rotor
de disco de freno y las zapatas de freno.
Sobre todo al ser empleados más de dos émbolos
de accionamiento hidráulico - como, por ejemplo,ocho émbolos en
combinación con cuatro forros de fricción por cada dispositivo de
aplicación de freno - es de gran ventaja que los émbolos estén
dispuestos de tal modo, que sea de lo más reducido posible el
apriete que actúa sobre las zapatas de freno, en especial para unos
índices de fricción de trabajo de aproximadamente 0,40 hasta
0,45.
Para una supresión de los ruidos de frenado hay
que realizar la impulsión del rotor de disco de freno por medio de
los forros de fricción de tal manera, que puedan ser obstaculizados
tanto los nudos de oscilaciones como asimismo las panzas de
oscilaciones en la crítica oscilación de tipo KO/3 del rotor de
disco de freno. Esto es conseguido por el hecho de que cada vez dos
zapatas de freno están dispuestas por superficie de fricción del
rotor de disco de freno y de tal manera, que sus líneas de actividad
formen un ángulo alfa de aproximadamente 110 hasta 130 grados.
Otra conveniente ampliación de la forma de
realización de la presente invención tiene previsto que por lo
menos la superficie de fricción del rotor de disco de freno o todo
el rotor de disco de freno o bien todo el disco de freno estén
hechos de un material compuesto de cerámica y de metal,
preferentemente de un material compuesto de aluminio y de cerámica
como, por ejemplo, sobre la base de óxido de aluminio; de dióxido de
titanio; de trióxido de boro y/o de boruro de titanio con aluminio,
tal como este material está descrito, por ejemplo, en la Solicitud
de Patente Alemana Núm. DE 197 06 925.8-45, o bien
estén hechos de un material compuesto de silicio y cerámica como,
por ejemplo, sobre la base de carburo de silicio. Es especialmente
preferido un material compuesto y reforzado de fibras, el que como
fibras de refuerzo posee, por ejemplo, las fibras de carbono y/o
unas fibras de carburo de silicio. No obstante, son apropiadas
asimismo otras fibras, hechas sobre la base de carbono, de
nitrógeno, de silicio o de boro.
Como tales fibras de refuerzo son apropiadas
unas fibras largas, con preferencia en la forma de tejidos de
fibras o de conjuntos de fibras. Especialmente preferidas son las
fibras cortas, con preferencia unas fibras cortas orientadas de
manera isótropa (Véase la Patente Alemana Núm. DE 197 11 829 C1), de
tal manera, que la superficie de fricción o bien el disco de freno
sean de unas propiedades isótropas, es decir, unas propiedades
uniformes, tanto en la dirección longitudinal como en la dirección
transversal.
Como parte componente de cerámica, este material
compuesto puede tener, por ejemplo, una cerámica de carburo de
silicio o una cerámica de óxido de aluminio. No obstante, asimismo
están apropiadas las cerámicas de otro tipo.
La superficie de fricción del rotor de disco de
freno y el propio rotor de disco de freno están realizados, de
manera preferente, como una misma pieza, y los mismos están hechos
de un mismo material, es decir, del material compuesto de tipo CMC.
Es especialmente preferido fabricar todo el disco de freno como una
sola pieza y a partir de un tal material CMC, lo cual hace que la
fabricación sea especialmente sencilla y de un costo favorable.
A continuación, la presente invención está
descrita con más detalles por medio de los planos adjuntos, en los
cuales:
La Figura 1 muestra una vista esquematizada - y
no a escala - de una unidad de freno según la presente
invención;
La Figura 2 indica una vista de sección,
realizada a lo largo de la línea II - II, indicada en la Figura
1;
La Figura 3 muestra una vista, análoga a la
vista de la Figura 2, de otra forma para la realización de la
presente invención;
La Figura 4 indica la vista esquematizada de las
líneas de actividad de un apriete de la zapata;
La Figura 5 muestra la vista esquematizada de
otra forma de realización de la presente invención; mientras que
La Figura 6 indica un esquema de la oscilación
de tipo KO/3 de un rotor de disco de freno.
La Figura 1 muestra una unidad de freno 10, con
un rotor de disco de freno o un disco de freno 11 hecho de un
material compuesto de cerámica y de metal, cuyas superficies
exteriores representan las superficies de fricción, 12a y 12b. Este
disco de freno 11 se encuentra fijado - de una manera ya conocida
como tal, que aquí no está indicada con más detalles - por medio de
un adaptador 13 del disco de freno. La unidad de freno 10 posee,
además, dos zapatas de freno, 20a y 20b, con los forros de fricción,
21a, 21b, que actúan- durante el proceso de frenado - sobre las
superficies de fricción, 12a y 12b, del disco de freno 11. Un
dispositivo de aplicación de freno 33 - que ya es conocido como tal
y el que aquí está meramente reflejado - sirve para impulsar las
superficies de presión de los émbolos de freno, 31 y 32, de tal
manera que las zapatas de freno, 20a y 20b, puedan actuar sobre las
superficies de fricción, 12a y 12b, y pueda ser iniciado el proceso
del frenado. A este efecto, los forros de fricción cubren por lo
menos un 15% de la superficie de fricción, en este caso, el
apriete, que es aplicado sobre las zapatas de freno, 20a y 20b, es
de lo más uniforme posible, es decir, que los forros de fricción
son impulsados de manera uniforme por toda su superficie.
La Figura 2 indica una forma de realización de
la relación de magnitudes de los forros de freno según la presente
invención. La relación de la altura media (h) con respecto a la
anchura media (b) - que es determinante en la aquí representada
forma trapecial del forro de fricción 21a - es, con preferencia, de
aproximadamente 1 : 1 hasta 1 : 1,6 con el objeto de conseguir una
elevada solapadura radial de la superficie de fricción 12a. Por
consiguiente, la superficie de fricción 21a es, en el sentido
radial, más bien grande y la misma es, en la dirección
circunferencial, sin embargo, relativamente pequeña.
La Figura 3 muestra una forma para la
realización de la presente invención, según la cual en la superficie
de fricción 12 están dispuestos dos forros de fricción, 21a' y
21a''. Para mejorar el apriete, por cada forro de fricción son
empleados dos émbolos, 31a' y 31b' así como 31a'' y 31b'',
respectivamente, que son accionados hidráulicamente. Según este
ejemplo, de realización, los émbolos están distribuidos de manera
uniforme, y los mismos están dispuestos de tal modo, que esté
asegurada una impulsión uniforme por toda la superficie de fricción
- sobre todo con un índice de fricción de trabajo entre
aproximadamente 0,40 y 0,45 - por un giro del disco de freno 11 en
dirección de la flecha D, de tal manera que no se pueda presentar
ninguna densidad de corriente térmica localmente incrementada. Esto
también puede ser conseguido, por ejemplo, por el empleo de ocho
émbolos, en combinación con cuatro forros de fricción por cada
dispositivo de aplicación de freno. De forma preferente, para
impedir una irregular distribución de la potencia, se emplean varios
forros de fricción individuales con los respectivos dispositivos de
aplicación de freno individuales, asignados a los mismos. Esto
puede ser efectuado a través de unos asientos de émbolo único o
mediante unos asientos de émbolos múltiples, en los cuales están
dispuestos uno o varios forros de fricción, preferentemente de dos
hasta seis forros, y de forma especialmente preferida cuatro o seis
forros de freno. De forma preferente, estos forros de fricción son
apretados, cada uno con dos hasta cuatro émbolos y de tal manera,
que quede asegurado un apriete uniforme, también bajo la acción del
par de frenado. Tal como anteriormente descrito, los forros de
fricción de estas zapatas de freno son, de un modo conveniente,
grandes en el sentido radial pero son, sin embargo, relativamente
pequeños en la dirección circunferencial.
No está indicado aquí el hecho de que por lo
menos un dispositivo de aplicación de freno puede tener, además,
unos elementos de compensación mecánicos y/o electrónicos, que están
realizados de tal modo, que las fuerzas tensoras estén distribuidas
- de una manera uniforme y por el principio de unas palancas
equilibradas - sobre varios forros de fricción. El resultado está
indicado de forma esquematizada en la Figura 4. La línea de
actividad de un apriete ideal - con un giro del disco de freno 11 en
dirección de la flecha D y con un índice de fricción \mu - está
indicada con la referencia Wi. La línea de actividad del émbolo está
indicada por Wk. La energía \epsilon, que es aplicada por la
acción del émbolo, es controlada en función del índice de fricción
\mu, de tal modo que sea alcanzado el apriete ideal aquí
representado. Gracias a ello, se consigue un equilibrio en la zapata
de freno individual y, por consiguiente, una mejora en el apriete.
También por el empleo de unos forros de fricción con una
compresibilidad de más de una micra por bar de presión del líquido
de freno y/o por el empleo de una capa intermedia - prevista entre
los forros de fricción y el dispositivo de aplicación de freno y con
una compresibilidad de más de una micra por bar de presión del
líquido de freno - puede ser conseguida una mejora en el apriete
entre el rotor de disco de freno y las zapatas de freno.
Lo mismo ha de ser aplicado, evidentemente,
también para la superficie de fricción 12b.
Según lo indicado en la Figura 5, para la
supresión de los ruidos de frenado, resulta que dos respectivas
zapatas de freno, 20a' y 20a'', están dispuestas por cada superficie
de fricción del disco de freno 11, de tal manera que las líneas de
actividad de las mismas forman un ángulo alfa de aproximadamente 110
hasta 130 grados. El resultado está representado en la Figura 6. Se
puede observar la típica oscilación KO/3 del rotor de disco de
freno como una función del ángulo de giro del rotor; en este caso,
por esta forma de disposición de las superficies de fricción, 21a'
y 21a'', quedan obstaculizadas las panzas de oscilaciones de la
oscilación de tipo KO/3. Lo análogo ha de ser aplicado para los
nudos de oscilaciones con una apropiada forma de disposición de las
zapatas de freno.
Claims (13)
1. Unidad de freno (10), que comprende por lo
menos dos zapatas de freno (20a, 20b), con un respectivo forro de
fricción (21a; 21b), y por lo menos un rotor de disco de freno (11),
como asimismo comprende por lo menos un dispositivo de aplicación
de freno (30) que, durante el proceso del frenado, actúa sobre las
zapatas de freno (20a, 20b); a este efecto, están previstos por lo
menos dos dispositivos de aplicación de freno (30), que actúan
sobre por lo menos dos zapatas de freno (20a, 20b); en este caso,
las zapatas de freno están provistas de unos forros de fricción
individuales con los respectivos dispositivos de aplicación de freno
asignados de forma individual, y los por lo menos dos dispositivos
de aplicación de freno (30) están realizados de tal modo, que -
durante un proceso de frenado - el apriete, que actúa sobre las
zapatas de freno (20a, 20b), pueda actuar de una manera
esencialmente uniforme sobre la superficie de fricción (12a, 12b);
caracterizada porque:
- las superficies exteriores del rotor de disco
de freno (11) constituyen - por lo menos parcialmente - una
respectiva superficie de fricción (12a, 12b), hecha de un material
compuesto de metal y de cerámica (material de tipo CMC), para un
correspondiente forro de fricción (21a, 21b);
- están previstos por lo menos dos émbolos (31,
32) por cada zapata de freno (20a, 20b); así como
caracterizada porque:
- los forros de fricción (21a, 21b) de las
zapatas de freno (20a, 20b) cubren por lo menos un 15% de la
superficie de fricción (12a, 12b) del rotor de disco de freno
(11);
- la relación entre la altura media (h) y la
anchura media (b) de cada forro de fricción (21a, 21b) de una
zapata de freno (20a, 20b) es de aproximadamente 1 : 1 hasta 1 :
1,6; y
- dos respectivas zapatas de freno están
dispuestas por cada superficie de fricción (12a, 12b) del rotor de
disco de freno (11), de tal manera que las líneas de actividad de
las mismas formen un ángulo alfa de aproximadamente 110 hasta 130
grados.
2. Unidad de freno conforme a la reivindicación
1 caracterizada porque están previstos varios dispositivos
de aplicación de freno que actúan sobre por lo menos cuatro zapatas
de freno; a este efecto, están previstos por lo menos dos émbolos
(31, 32) por cada zapata de freno.
3. Unidad de freno conforme a una de las
reivindicaciones anteriormente indicadas, caracterizada
porque los por lo menos dos dispositivos de aplicación de freno
(30) poseen unos elementos de compensación mecánicos y/o
electrónicos que están realizados de tal modo, que las fuerzas
tensoras estén distribuidas - por el principio de las palancas
equilibradas - de una manera uniforme sobre varios forros de
fricción (21a, 21b).
4. Unidad de freno conforme a una de las
reivindicaciones anteriormente indicadas, caracterizada
porque los por lo menos dos émbolos (31, 32) están dispuestos de
tal manera, que el apriete, que actúa sobre las zapatas de freno
(20a, 20b), sea lo más uniforme posible, sobre todo para unos
índices de fricción de trabajo de aproximadamente 0,40 hasta
0,45.
5. Unidad de freno conforme a una de las
reivindicaciones anteriormente indicadas, caracterizada
porque los forros de fricción (21a, 21b) tienen una compresibilidad
de más de 1 \mum/bar de presión del líquido de freno.
6. Unidad de freno conforme a una de las
reivindicaciones anteriormente indicadas, caracterizada
porque entre los forros de fricción (21a, 21b) de las zapatas de
freno (20a, 20b) y del dispositivo de aplicación de freno (30) está
prevista una capa intermedia, cuya compresibilidad es de más de 1
\mum/bar de presión del líquido de freno.
7. Unidad de freno conforme a una de las
reivindicaciones anteriormente indicadas, caracterizada
porque por lo menos las superficies de fricción (12a, 12b) del
rotor de disco de freno (11) están hechas de un material compuesto
de aluminio y de cerámica o bien de un material compuesto de silicio
y de cerámica.
8. Unidad de freno conforme a una de las
reivindicaciones anteriormente indicadas, caracterizada
porque por lo menos las superficies de fricción (12a, 12b) del
rotor de disco de freno (11) están hechas de un material compuesto
reforzado por fibras.
9. Unidad de freno conforme a la reivindicación
8, caracterizada porque el material compuesto posee, como
fibras de refuerzo, unas fibras de carbono y/o unas fibras de
carburo de silicio.
10. Unidad de freno conforme a una de las
reivindicaciones 8 ó 9, caracterizada porque el material
compuesto comprende, como fibras de refuerzo, unas fibras largas,
preferentemente en la forma de tejidos de fibras o de conjuntos de
fibras.
11. Unidad de freno conforme a una de las
reivindicaciones 8 ó 9, caracterizada porque el material
compuesto comprende, como fibras de refuerzo, unas fibras cortas,
preferiblemente unas fibras cortas isotrópicamente orientadas.
12. Unidad de freno conforme a una de las
reivindicaciones anteriormente indicadas, caracterizada
porque el material compuesto comprende, como componente de
cerámica, una cerámica de carburo de silicio o de una cerámica de
óxido de aluminio.
13. Unidad de freno conforme a una de las
reivindicaciones anteriormente indicadas, caracterizada
porque la superficie de fricción (12a, 12b) del rotor de disco de
freno (11) y el propio rotor de disco de freno (11) están
construidos formando una sola pieza y consisten en el mismo
material.
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