Prima di addentrarsi nella lettura dell’articolo consigliamo la visione di questo video che spiega in modo molto semplice ed intuitivo il funzionamento di un sistema frenante:
I sistemi frenanti, più diffusi sono due:
A tamburo;
A disco freno;
Entrambi i tipi di sistemi sono idraulici, quindi, il movimento della pinza freno è attuato da una pompa che mette in pressione il liquido frenante che a sua volta mette in pressione la pinza freno/pistone.
Schema sistema frenante a disco
Schema sistema frenante a tamburo
In modo molto ovvio, il sistema frenante a disco è più performante rispetto a quello a
tamburo.
I componenti che entrano in gioco nel sistema freno a disco sono:
Servofreno;
Pompa dei freni;
Liquido;
Tubazione;
Pinza;
Pastiglie;
Disco;
Servofreno:
Definiamolo semplicemente come un amplificatore della forza frenante impressa tramite il pedale.
È un componente utilizzato in quasi tutte le auto stradali, ma non ne le auto da competizione, anche perché sarebbe un componente aggiuntivo con peso ulteriore da dover gestire.
Per scoprire se la vostra auto monta o meno il servofreno basta cercare su Autodoc, tramite la targa, e controllare se è un ricambio proposto tra quelli del sistema frenante.
Pompa dei Freni:
la pompa dei freni è semplicemente un attuatore idraulico che manda in pressione il liquido dei freni e trasferisce la pressione frenante alla pinza freno tramite la tubazione.
Per comodità riportiamo uno schema della pompa dei freni:
Quindi, per incrementare la potenza frenante trasmissibile, una soluzione potrebbe essere quello di sostituire la pompa freno con una più performante (Es. AP Racing, Wilwood..) di diametro maggiore e con una corsa del pistone più corta, di conseguenza, il volume di olio comprimibile sarebbe maggiore e la frenata più reattiva (corsa corta pistone).
Per verificare il diametro dell’attuatore potete sempre utilizzare Autodoc.
Fluido freni
Il liquido dei freni viene classificato in base alle sue caratteristiche di comprimibilità e punto di ebollizione. Un olio performante deve avere due caratteristiche fondamentali: bassa comprimibilità (densità elevata), alto punto di ebollizione.
La bassa comprimibilità permette all’olio di trasferire la potenza frenante trasmessa dalla pompa, alla pinza freno; se il fluido utilizzato nel circuito fosse comprimibile, la potenza frenante trasmessa si disperderebbe.
Un alto punto di ebollizione permette all’olio di mantenere le sue proprietà di bassa comprimibilità anche alle alte temperature.
Il punto di ebollizione necessita di ulteriore suddivisione in due sottocategorie, punto di ebollizione “a secco” e punto di ebollizione “in umido”; il primo indica la capacità di ebollizione del prodotto in condizioni ideali, quindi senza l’influenza di fattori esterni che potrebbero alterare le sue proprietà.
Il secondo invece è il valore che rappresenta il punto di ebollizione in condizioni reali, quindi con contaminazioni di umidità che possono penetrare nell’impianto tramite le guarnizioni, magari usurate. La presenza di umidità ovviamente altera la comprimibilità del liquido freni, rendendo spugnoso il pedale.
Il valore che classifica gli oli in base al loro punto di ebollizione si chiama DOT, seguito da un numero “3(non più utilizzato),4, 5.1” ogni DOT identifica un olio con punto di ebollizione differente.
Per ottenere sempre il massimo dal liquido freni utilizzato, a prescindere dalle performance, è importante non sottovalutare il cambio periodico.
Per un rapido confronto dei vari DOT prendiamo come riferimento alcuni oli.
MOTUL DOT 3&4:
MOTUL DOT 4 LV:
MOTUL DOT 5.1 (a base non siliconica):
Nel caso in cui stessimo cercando un olio ad alte prestazioni, da abbinare ad un sistema frenante maggiorato o di serie, abbiamo alcune scelte a disposizione.
Di seguito confrontiamo gli oli ad alte prestazioni di Motul, Bardahl, Castrol.
| Motul RBF 700 | Bardahl | Castrol React SRF |
Viscosità a 100°C [mm2/s] | 2.1 | 2.2 | 3.5 |
Viscosità a -40° [mm2/s] | 1.698 | 800 | 1300 |
Punto di ebollizione a secco | 325 | 270 | 320 |
Punto di ebollizione umido | 205 | 183 | 270 |
Tubazione freni
Un’ulteriore miglioria del sistema frenante è di certo la sostituzione dei tubi freno originali.
I tubi freno standard delle auto sono realizzati in gomma, questa caratteristica rende tale componente inadatto ad una frenata performante ed efficace, in quanto nel momento in cui viene messo in pressione l’olio del sistema frenante, tramite la pompa azionata dal pedale freno, esso tende a dilatare le pareti del tubo freno, tradotta in una variazione di sezione del condotto e dunque ad una conseguente perdita di pressione a parità di forza impressa.
Per ovviare a ciò la soluzione migliore è quella di sostituire le tubazioni con in acciaio intrecciato, comunemente detti “in treccia” o “aeronautici”.
Pinza Freno
Uno dei componenti più evidenti dell’impianto frenante è certamente la pinza freno. Le pinze freno convenzionali sono dotate di un sistema a 1 o 2 pompanti che trasferiscono la pressione esercitata sul pedale del freno alle pastiglie freno che, a loro volta, per strisciamento (attrito) sul disco freno, permettono di ridurre il numero di giri della ruota, trasformando l’energia cinetica del disco freno in calore.
Quindi, maggiore sarà il numero di pompanti presenti sulla pinza e maggiore sarà la potenza frenante globale.
Le più diffuse nell’ambito di elaborazioni per veicoli stradali, sono quelle a 4 pompanti, distinguibili per la loro forma allungata.
Le pinze con 6 o più pompanti vengono utilizzate prevalentemente nell’ambito delle competizioni motorsport (o per auto con cavallerie molto elevate), come ad esempio la F1; in quel caso per garantire un’ottima frenata, anche in termini di spazio di arresto del veicolo, entrano in gioco anche altri fattori come il peso, materiali e la conformazione della pinza per garantire un raffreddamento efficace.
L’apice dell’ingegneria su questo aspetto arriva da parte di Bugatti; ha progettato infatti una pinza freno in titanio e completamente stampata in 3D, quindi in un unico pezzo.
Per una lettura più approfondita sui sistemi frenanti di F1, vi rimandiamo al link della pagina ufficiale di Brembo:
Pastiglie:
Cosa distingue una pastiglia freno convenzionale da una pensata per le prestazioni?
In generale una pastiglia freno comune si distingue dal tipo di mescola adottata, cioè la parte che entra in contatto con il disco freno e che poi produrrà attrito.
Di conseguenza, maggiore sarà l’attrito che le superfici di contatto potranno produrre (a parità di superficie di contatto), maggiore sarà l’energia dissipata e di conseguenza un minore spazio di frenata.
Le pastiglie vengono prodotte tramite sinterizzazione, un processo in cui i componenti (resine e frammenti di materiali metallici) che compongono la mescola (comunemente detto ferodo) vengono compattati ad un’alta pressione e temperatura.
Il legante (resine fenoliche o cresiliche) deve possedere possedere ottime proprietà meccaniche, anche ad alte temperature, un'alterazione di tali proprietà a temperature elevate è sinonimo di materiali scadenti e non performanti.
Ricapitolando, quali fattori bisogna considerare per scegliere una pastiglia freno performante?
Capacità di resistere alle alte temperature: poiché l’aumento della temperatura riduce il coefficiente di attrito e aumenta lo spazio di frenata;
Capacità di produrre attrito (valore di attrito chiamato "μ”);
In commercio esistono varie tipologie di mescole:
Organiche;
Semi-metalliche;
Carboceramiche;
Organiche:
Hanno una mescola a base di resina (per assicurare una sufficiente potenza frenante a freddo) e “trucioli di metallo”. Ovviamente hanno anche trucioli di metallo altrimenti non sarebbero capaci di sviluppare attrito e resistere alle alte temperature, si scioglierebbero letteralmente all'aumentare della temperatura.
Questo mix di metallo e resina dà vita al materiale comunemente chiamato “Ferodo”.
La miscela organica è caratterizzata da una concentrazione di resina maggiore rispetto ai metalli, la concentrazione massima delle resine varia fino ad un massimo del 40%.
Definizione di Ferodo: Materiale costituito da fibre d'amianto e filo d'ottone o da fibre d'amianto (non più utilizzate perché cancerogene) e resine fenoliche, che sviluppa una grande capacità di attrito mantenendo inalterata la sua struttura fino a una temperatura di 500 °C circa, usato nelle automobili come guarnizione, nelle frizioni e nei freni a tamburo.
In commercio esistono vari materiali di attrito, con caratteristiche variabili, nel caso in cui vogliate approfondire la lettura potete tramite il sito ufficiale di FERODO dove per ogni codice di materiale di attrito troverete le sue caratteristiche termiche e meccaniche.
Dato che il contatto per strisciamento produce calore, una buona pastiglia freno dovrà resistere ovviamente ad alte temperature.
Caratteristiche pstiglie freno organiche:
Ottima frenata a freddo;
Bassa resistenza alle alte temperature;
Usura rapida del ferodo;
Bassa usura del disco freno;
Costi più bassi della categoria;
Semi-metalliche:
Anche questa tipologia di mescola è a base di resina e “trucioli di metallo” quello che cambia è la concentrazione dei due materiali, in questo caso abbiamo una concentrazione maggiore di metalli rispetto alla resina.
Caratteristiche pastiglie freno semi-metalliche:
Frenata a freddo limitata rispetto alla miscela organica;
Ottima resistenza alle alte temperature;
Usura contenuta del ferodo;
Usura più rapida del disco freno;
Prestazioni superiori rispetto alla miscela organica;
Carbo-ceramiche:
Questa tipologia di mescola è a base di resina, polvere ceramica e fibre di carbonio.
Caratteristiche pastiglie freno Carbo-ceramiche:
· Costo elevato;
· Alta resistenza alle alte temperature;
· Qualità della frenata superiore rispetto alle semi-metalliche;
Altri materiali utilizzati nella produzione della mescola:
Filler o riempitori, non hanno alcuna funzione attiva se non quella di abbassare il costo del materiale finale. Sono infatti materiali economici come carbonato di calcio o Solfato di Bario, e vengono aggiunti nell’impasto nella misura in cui non provocano un abbassamento delle proprietà̀ del materiale finale.
Friction modifier (alteratori del valore di attrito), invece hanno un ruolo attivo perché vanno ad alterare il valore finale di attrito del Ferodo. Essi si suddividono in Abrasivi e non abrasivi. Gli abrasivihanno il compito di aumentare il coefficiente di attrito del materiale. Compiono questa azione benefica sia metalli in polvere come rame, ferro, alluminio e zinco, sia alcuni ossidi come allumina e silice. I non abrasivi invece abbassano il coefficiente d’attrito, e sono materiali facilmente sfaldabili come la grafite o la mica.
Dischi Freno
I dischi si suddividono in 3 categorie, Fissi Pieni, Fissi Forati o Baffati e Flottanti.
Dischi pieni e autoventilati:
Questa tipologia di disco si suddivide a sua volta in dischi non ventilati e ventilati.
Nell’immagine 1 possiamo notare come nella parte laterale del disco freno standard non siano presenti i così detti “condotti di areazione”, questo non permette di avere un raffreddamento del disco efficiente.
Nell’immagine 2 possiamo notare la presenza di questi intagli che hanno la funzione di favorire il passaggio di un flusso d’aria all’interno del disco freno, riducendo così le temperature di esercizio del disco, soprattutto sotto stress.
I vari intagli per la ventilazione sono sempre previsti nelle categorie di dischi freno più performanti (Forati, baffati e flottanti).
Dischi fissi forati e baffati:
Questa tipologia di disco ci permette di avere sicuramente un impianto frenante più performante, sia in termini di qualità e prontezza di frenata, riduzione dello spazio di arresto, alte prestazioni sotto stress e in condizioni di pioggia.
Fori o scanalature garantiscono un aumento del valore di attrito (superfici più ruvide) tra le superfici a contatto (disco-pastiglie), assicurano una migliore pulizia della pastiglia freno, migliore dissipazione del calore prodotto (maggiore nei dischi forati) e maggiore dissipazione dei gas che si formano tra disco e pastiglie alle alte temperature causati dalla combustione delle resine di cui è composta la pastiglia.
Quando questi gas si formano riducono il valore del coefficiente di attrito, impattando sulla qualità della frenata.
I Fori, inoltre, permettono di avere una migliore risposta alla frenata anche in condizioni di pioggia, poiché interrompono il velo d’acqua che potrebbe formarsi sulla superficie.
Vantaggi e svantaggi:
Entrambe le tipologie di sono consigliati per chi ha finalità estreme nell’utilizzo del proprio veicolo, in particolare, i dischi baffati garantisco una maggiore resistenza meccanica (perché il materiale non è "interrotto" come nei dischi forati) a parità di tipologia di lega utilizzata.
I dischi forati invece sono consigliati per chi sottopone il sistema frenante ad uno stress elevato e quindi alte temperature, infatti come detto in precedenza la foratura sui dischi garantisce una dissipazione del calore. Anche i dischi baffati garantiscono un’ottima dissipazione del calore ma sui dischi forati è maggiore proprio perché non sono intagli superficiali ma attraversano tutto lo spessore del disco, dando possibilità al flusso d’aria di attraversarli.
Dischi freno flottanti:
Flottanti, sono realizzati in due pezzi, mozzo e parte frenante (o pista) (la parte che entra in contatto con la pastiglia freno. La pista è libera di muoversi assialmente (se i fori di collegamento sono solo circolari) ed in alcuni casi anche radialmente (fori di collegamento ovali) rispetto al mozzo (ovviamente parliamo di piccole oscillazioni), questo permette in caso di leggera deformazione della pista dovuta al calore di "autoallineare" la pista tra le pastiglie, quindi un disco flottante avrà un limite di resistenza agli sforzi maggiore rispetto ad un disco di pari caratteristiche ma non flottante.
Per questo argomento è tutto, ci vediamo in un prossimo articolo!