Caratterizzazione superficiale e tribologica dei fenomeni di usura su materiali d'attrito per pastiglie freno

In the automotive field one key element of a vehicle is the brake system, it is the main and only active component which allows to slow down and stop the vehicle. One of the main challenges for brake pad development is the durability of the prouct and of the brake system. The major breakthrough that the automotive industry will have to face in the next years is the conversion to the electric technology, therefore the wear issue of the brake system is becoming an increasingly important topic: thanks to the implementation of regenerative brakes on electric vehicles the load on the disc-pad brake system is reduced and so the system is expected to cover the whole lifecycle of a car without substitutions. These were among the reasons why a good friction material has to meet certain level of Wear Rate and it has to guarantee a low wear on the rotor. In order to measure the effects of wear it has been historically used a chassis dynamometer system which allows to simulate a brake system in a controlled environment. The main focus of this thesis project, born in collaboration and carried out at the ITT Motion Technologies headquarters in Barge (Italy), is to develop a new wear protocol using a tribometer system. The primary advantage of this new approach is the ability to isolate the pad-disc interface from any source of interference. The tribometer system hence is immune from the effects of the rest of the brake system, including caliper, inertia, chassis, etc. In this project, a procedure has been developed and applied to different friction materials in order to classify and qualify the wear characteristic. These measurements are then compared with the results obtained from the chassis dynamometer tests. From the comparison of these measurements, a good correlation is found, showing the effectiveness of the procedure for the assessment of wear. The second objective of this thesis project is the surface analysis of pad and disc in order to analyze the effects of wear, mainly the formation of a Third Body Layer. A correlation between the formation of a compact Third Body Layer and the Wear Rate of several material has been investigated. The surface analysis and measurements were conducted with an Optical Profilometer, a SEM equipped with EDS microanalysis and an Optical Microscope. The procedure developed is successfully implemented as a screening test able to classify the wear characteristic of new materials.

Uno degli elementi principali del veicolo in campo automobilistico è il sistema frenante, questo è la principale e unica componente attiva che permette di rallentare e fermare il veicolo. Nello sviluppo di pastiglie freno una delle sfide principali è la durabilità del prodotto e dell'intero sistema frenante. La principale svolta che l'industria automobilistica dovrà affrontare in questo secolo è la conversione verso la tecnologia elettrica, perciò le problematiche di usura dell'impianto frenante stanno diventando un argomento sempre più attuale: grazie al fatto che i veicoli elettrici sono equipaggiati con un sistema di frenata rigenerativa, il carico che deve sostenere l'impianto frenante disco-pastiglia è notevolmente ridotto e quindi il sistema deve essere migliorato in modo da durare idealmente per tutto il ciclo di vita del veicolo senza necessità di sostituzioni. Anche per queste ragioni un buon materiale d'attrito deve avere determinati livelli di tasso di usura e deve garantire una bassa usura del disco. Storicamente, per misurare gli effetti dell'usura sugli impianti frenanti, si è usato il banco dinamometrico, uno strumento che permette di simulare un sistema frenante in un ambiente controllato. L'obbiettivo principale di questo lavoro di tesi, nato in collaborazione e sviluppato presso la sede di ITT Motion Technologies di Barge (CN), è lo sviluppo di una nuova procedura d'usura da implementare su un tribometro. Il vantaggio principale di questo nuovo approccio è la possibilità di isolare la superficie di contatto disco-pastiglia da possibili fonti di interferenza. Il tribometro è perciò immune dagli effetti del resto dell'impianto frenante quali la pinza, l'inerzia, l'assale, etc. La procedura sviluppata nel corso di questo progetto è stata poi applicata a diversi materiali d'attrito in modo da classificarne le caratteristiche di usura. Queste misure sono state poi confrontate con i risultati ottenuti dalle prove su banco dinamometrico. Dalla comparazione di queste misure è stata trovata una buona correlazione e questo dimostra la buona efficacia della procedura d'usura sviluppata. Il secondo obbiettivo di questo progetto di tesi è un'analisi superficiale di dischi e pastiglie volta ad analizzare gli effetti dell'usura, principalmente la formazione di uno strato di terzo corpo. È stata verificata la correlazione tra la formazione di un terzo corpo compatto e il tasso di usura di diversi materiali. Le analisi e le misure superficiali sono state eseguite con un Profilometro Ottico, Un SEM equipaggiato con la microanalisi EDS e un Microscopio Ottico. La procedura sviluppata è stata implementata con successo in ambito aziendale come test di screening per la classificazione delle caratteristiche di usura di nuovi materiali.