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Freno a disco

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Ilfreno a disco è un dispositivo meccanico il cui scopo è rallentare o fermare larotazione di unaruota e il mezzo a cui essa è vincolata. In altre parole la "pinza" del freno (rossa nella prima figura) è solidale altelaio (ossia in generale al veicolo) ed è la sede che ospita le "pastiglie" frenanti. Durante la frenata, un meccanismo preme lepastiglie contro il disco (solidale alla ruota) generando così unaforza d'attrito direttamente proporzionale allapressione. Di conseguenza la ruota riceve unacoppia che contrasta la suarotazione, cioè un'azione frenante.

Primo piano di un freno a disco a pinza flottante di un'automobile.

Storia

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Sulleautomobili, i freni a disco sono spesso posizionati all'interno della ruota

I primi esperimenti con freni a disco iniziarono in Inghilterra negli ultimi anni delXIX secolo; i primi freni a disco vennero brevettati daFrederick William Lanchester diBirmingham nel1902. Passò un quarto di secolo prima che il sistema venisse adottato. In particolare, la prima vettura a montarlo in serie fu laCitroën DS, nel 1955.

Il primo freno a disco, quello che si è poi trasformato nel sistema attualmente in uso, apparve inInghilterra a cavallo tra gli anni quaranta e gli anni cinquanta del secolo scorso. Offrivano una capacità frenante decisamente superiore ai fino ad allora utilizzatifreni a tamburo, ma quello non era il solo vantaggio. Anche la resistenza alla "dissolvenza" o con il termine inglese "fade" o "fading" (cioè la caratteristica di mantenere immutata o quasi la forza frenante dopo azionamenti ripetuti, limitando il surriscaldamento dei componenti) e la notevole efficacia frenante anche da bagnati (utile per la sicurezza su strada in caso di maltempo ed indispensabile per l'uso infuoristrada) erano dei "plus" non indifferenti. La semplicità meccanica del sistema a disco, il minor numero di componenti utilizzato e la facilità di riparazione costituivano altri ulteriori ed innegabili vantaggi.

Come spesso avviene il primo impulso alla diffusione dei freni a disco venne dalle competizioni automobilistiche, dove le qualità sopra menzionate costituivano un grande vantaggio competitivo.

Le prime implementazioni di questo sistema frenante prevedevano un solo disco montato vicino aldifferenziale, solo successivamente vennero montati all'interno delle ruote. La ragione del disco unico montato in posizione centrale scaturiva dal presupposto di avere minorimasse non sospese, concentrazione della massa vicino albaricentro e minor riscaldamento deglipneumatici, fattore di vitale importanza per leFormula 1 di quel periodo.

I freni a disco sono oggi diventati indispensabili sulle autovetture di serie, anche se alcune auto (specie quelle più piccole e leggere) montano tuttora, sulle ruote posteriori, dei freni a tamburo per ragioni di costo, di semplicità di implementazione delfreno di stazionamento (il cosiddetto "freno a mano"). Essendo la forza frenante delle auto concentrata in larga parte sulle ruote anteriori, questa soluzione può comunque essere considerata un ragionevole compromesso.

Freno a disco da 203 mm di una modernamountain bike

Discorso differente per le motociclette sulle quali fino agli anni settanta delXX secolo spopolavano enormi tamburi a più ganasce. L'unica ad anticipare i tempi fu l'italianaInnocenti con lo scooterLambretta che, grazie allaCampagnolo, nel 1962 produsse in serie il primo scooter al mondo con freno a disco anteriore (modello tv 175 e tv 200). La notizia fece il giro del mondo, persino in Francia le riviste specializzate elogiavano questa grande innovazione che assegnava all'Innocenti un primato mondiale, un primato che venne dimenticato nei decenni.

L'avvento del disco freno che viene ricordato[non chiaro] va a merito del grande produttore italianoBrembo che ha imposto i suoi prodotti nelle corse prima e sulla strada poi.Il disco per uso motociclistico nasce pieno e, ad eccezione di alcuni prototipi apparsi nelle competizioni Superbike negli anni novanta, non è mai stato conveniente o davvero vincente la soluzione autoventilante: prototipi autoventilanti ottenuti per microfusione a cera persa di speciali acciai, sono rimasti un bell'esercizio di tecnologia, tuttavia non supportati da una reale efficacia tecnico/economica.

A fine anni novanta e negli anni a venire si sono imposti sempre più prodotti dal profilo innovativo detto "a margherita" o "wave"; si sono distinti in questo produttori italiani dediti principalmente alla venditaaftermarket. Questa attività è promotrice di un ritorno alle piste frenanti piene o comunque con pochi intagli, onde incontrare il massimo feeling di guida ed una grande modularità di frenata, senza per questo rinunciarne alla potenza. Un concetto quasi sparito, quello appunto della modularità, a causa dell'abuso di foratura sulle piste frenanti e all'impiego da parte di molti produttori di acciai inossidabili molto belli a vedersi ma non sempre all'altezza quanto a durata e prestazioni.

I freni a disco impiegati nelle biciclette, oltre ad avere numerosi pregi, hanno anche alcuni difetti: infatti durante la frenata il disco metallico si surriscalda molto velocemente a causa della sua frizione sulle cosiddette "pastiglie", ovvero delle piccole piastrine o morse favorendo la loro usura. Perciò i freni a disco, soprattutto quelli delle biciclette, hanno bisogno di una regolare manutenzione.I freni a disco, in campo fisico, sono inoltre soggetti a un fenomeno chiamatoStick-slip, che è dovuto al veloce passaggio dall'attrito statico a quellodinamico, che provoca quei fastidiosi rumori di stridio.

Descrizione

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Un freno a disco è costituito da un disco inghisa o inacciaio o ceramico solidale alla ruota il quale viene frenato tramite un sistema a pinza che spinge contro di esso una coppia dipastiglie composte da materiale d'attrito, che, premendo contro il disco contemporaneamente da entrambi i lati, ne causano il rallentamento assieme a quello della ruota. La pressione di spinta della pinza è generata grazie ad un dispositivo idraulico (come sulla maggior parte degli autoveicoli) o, talvolta, meccanico (per esempio le biciclette).I veicoli industriali (solitamente quelli di massa superiore a 6 tonnellate a pieno carico) hanno un dispositivo ad azionamento pneumatico.

Comando e azionamento dei freni

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Lo stesso argomento in dettaglio:Freno § Comando e azionamento dei freni.

Il comando dei freni può essere:

  • Leva
  • Pedale

I freni possono essere azionati tramite vari sistemi:

  • Idraulico
  • Pneumatico
  • Meccanico

Disco

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Lo stesso argomento in dettaglio:Disco freno.

Quest'elemento è una delle parti a consumo del sistema frenante a disco, che in questo caso ruota assieme alla ruota/e a cui è vincolata, la sua struttura, forma e lavorazioni sono determinanti per definire le sue doti di resistenza e modulabilità e potenza della frenata.

Pinza freno

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Lo stesso argomento in dettaglio:Pinza freno.

La pinza freno è l'elemento che trasferisce la pressione generata dalla pompa freno alle pastiglie, permettendo così la generazione dell'attrito necessario alla frenata.

Pastiglie o Pattini freno

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Lo stesso argomento in dettaglio:Pastiglie freno.

Quest'elemento è una delle parti a consumo del sistema frenante a disco, che in questo caso scorre in senso lineare dentro la pinza e a cui è vincolata, la sua struttura, forma e lavorazioni sono determinanti per definire le sue doti di resistenza, modellabilità e potenza di frenata. Le pastiglie freno possono essere sinterizzate o organiche.

Per i sistemi pneumatici tipici dei camion, il gioco tra pastiglie e disco frenante normale si attesta tra 0,5 mm e 1,2 mm a seconda del modello frenante[1], mentre negli impianti idraulici la distanza delle pastiglie con il disco è di circa 0,2 mm[2]

Pompa freno (solo per sistemi idraulici)

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Lo stesso argomento in dettaglio:Pompa freno.

La pompa freno è l'elemento che trasferisce ilfluido freni dal serbatoio del liquido alla pinza, in modo da poter azionare i pistoncini e premere le pastiglie contro il disco. La pompa freno si può differenziare in diversi tipi, ma il suo funzionamento rimane sempre lo stesso ed il collegamento tra la pompa e la pinza è generalmente tramite tubi flessibili.

Serbatoio liquido freno (solo per sistemi idraulici)

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Lo stesso argomento in dettaglio:Serbatoio liquido freno.

Il serbatoio del liquido freno è un contenitore adibito al contenimento del liquido freno in esubero per le esigenze attuali dell'impianto, ma che viene man mano richiamato dalla pompa freno a man mano che le pastiglie si consumano.

Tubazioni

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Tubi freno idraulici, a sinistra in gomma telata (danneggiato con tela a vista) a destra in treccia metallica senza guaina di rivestimento

Nel caso di sistemi pneumatici o a liquido, queste tubazioni devono essere ermetiche e quindi evitare dispersioni, inoltre possono essere di diverso tipo e materiale, da tubi metallici rigidi per percorrere tratti lunghi e non soggetti a movimento e tubi flessibili per collegare due parti soggette a movimenti reciproci, questi vanno dal semplice tubo in gomma per parti dell'impianto a bassa pressione, tubi in gomma ricoperto da uno strato di fibre e da un terzo strato di copertura e tubi inPTFE ricoperti da una treccia metallica e da un terzo strato di copertura.

Le prestazioni alle pressioni di esercizio tra i tubi in gomma rinforzate da fibre e tubi in treccia è pressoché identica, ma c'è una differente capacità alla flessione (maggiore per i tubi rinforzati dalla maglia in fibre) e durata nel tempo[3].

Tali tubazioni quando collegano una pompa freno a più pinze freno possono essere realizzate in vari modi, quali tubi multipli, quindi un tubo per ogni pinza freno, i quali partono tutti dalla pompa freno, oppure tubi con ponte, dove si ha un unico tubo che si collega a una pinza e dei tubi che fanno da ponte tra le pinze, infine tubi a tre o più vie, dove dalla pinza freno si ha un unico tubo, il quale in prossimità delle pinze freno si biforca e infine si collega alle pinze freno, permettendo una lunghezza omogenea tra pompa freno e pinze freno.[4]

Mentre nei sistemi meccanici si utilizza laguaina.

Accorgimenti

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L'impianto frenante a disco può avere come accorgimenti:

  • Inboard disc sistema che sposta i freni dalle ruote al corpo vettura, termine usato impropriamente su veicoli a due ruote, dove il disco freni è integrato nella ruota e rimane centrale al disco, costituendone la parte centrale dello stesso.
  • Multidisco utilizzo di più sistemi a disco sulla stessa ruota, come spesso accade per le motociclette di cilindrata maggiore, dove si hanno due dischi e pinze anteriori.

Calcolo del momento frenante

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Se si considera laforza Q normale alla pinza, che spinge la pastiglia contro lasuperficie del disco in fase difrenatura, e riferendosi ad una superficie di discoinfinitesima, di apertura dα{\displaystyle \ d\alpha } e dimensione radiale dr{\displaystyle \ dr}, si ha che:

Q=∫0α ∫ R1 R2rpdαdr{\displaystyle \mathbb {Q} =\int _{0}^{\alpha }\ \int _{\ R_{1}}^{\ R_{2}}rpd\alpha dr}

essendordαdr{\displaystyle rd\alpha dr} la superficie infinitesima normalmente alla quale agisce ilcarico, che in termini finiti ha intensitàQ{\displaystyle \mathbb {Q} } e p{\displaystyle \ p} lapressione applicata durante la frenatura

e ancora:

Q=α∫ R1 R2prdr{\displaystyle \mathbb {Q} =\alpha \int _{\ R_{1}}^{\ R_{2}}pr\mathrm {d} r}=αK(R2−R1){\displaystyle =\alpha K\left(R_{2}-R_{1}\right)}

(per la dimostrazione della costanza di pr{\displaystyle \ pr}, vedidimostrazione).

Ilmomento frenante vale:

 Mf=∫0α∫ R1 R2frprdαdr{\displaystyle \ M_{f}=\int _{0}^{\alpha }\int _{\ R_{1}}^{\ R_{2}}frpr\,d\alpha \,dr}

conrdαdr{\displaystyle rd\alpha dr} la superficie su cui agisce la forza tangenziale infinitesimafdQ{\displaystyle fdQ} edf{\displaystyle f} il coefficiente di attrito.

Si ottiene quindi:

 Mf=αf∫ R1 R2prrdr{\displaystyle \ M_{f}=\alpha f\int _{\ R_{1}}^{\ R_{2}}prr\,dr}

Ma dal calcolo diQ{\displaystyle \mathbb {Q} } si è visto che:

 pr=K=Qα1(R2−R1){\displaystyle \ pr=K={\frac {Q}{\alpha }}{\frac {1}{\left(R_{2}-R_{1}\right)}}}

Quindi si ha:

 Mf=αfQα1(R2−R1)R22−R122=QfR2+R12{\displaystyle \ M_{f}=\alpha f{\frac {Q}{\alpha }}{\frac {1}{\left(R_{2}-R_{1}\right)}}{\frac {R_{2}^{2}-R_{1}^{2}}{2}}=Qf{\frac {R_{2}+R_{1}}{2}}}

Il momento frenante in un freno a disco dipende dal coefficiente d'attrito (aumenta con esso), dalla forzaQ{\displaystyle \mathbb {Q} } e dalle dimensioniR1{\displaystyle R_{1}},R2{\displaystyle R_{2}} ed è dato dalla risultanteQ{\displaystyle \mathbb {Q} } applicata al raggio medio dell'accoppiamento pastiglia-disco.Poiché il calcolo è stato effettuato su una faccia del disco, il momento frenante complessivo è 2Mf{\displaystyle \ 2M_{f}}.

Dimostrazione pr = cost

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Applicando l'ipotesi di Reye sull'elementino infinitesimo di disco di apertura 2π{\displaystyle \ 2\pi } e dimensione radiale dr{\displaystyle \ dr} (corona circolare), caso più semplice, ma analogo di disco abrasivo che ruota su una superficie, si ha che:

ilvolume elementare diusura è pari a:

 dV=2πrdrh{\displaystyle \ dV=2\pi rdrh}

mentre, il lavoro infinitesimo d'attrito vale:

 dL=2πrdrfpθr{\displaystyle \ dL=2\pi rdrfp\theta r}

Essendo

Per l'ipotesi di Reye, vale che:

il volume che si usura negli elementi a contatto è proporzionale al lavoro speso per attrito nell'accoppiamento

Quindi si ha:

 dL∝ dV{\displaystyle \ dL\propto \ dV}

e, sostituendo le espressioni trovate di dL{\displaystyle \ dL} e dV{\displaystyle \ dV} :

 h∝ pfθr{\displaystyle \ h\propto \ pf\theta r}

da cui segue:

 pr=Hhfθ=cost=K{\displaystyle \ pr=H{\frac {h}{f\theta }}=cost=K}

essendo H{\displaystyle \ H} la costante di proporzionalità incognita, h{\displaystyle \ h} l'altezza di consumo, anch'essa incognita e θ{\displaystyle \ \theta } l'angolo di rotazione che ha prodotto l'usura del materiale.La legge di variazione di p{\displaystyle \ p} in funzione di r{\displaystyle \ r} è allora un'iperbole equilatera nel piano pr{\displaystyle \ pr}.

Note

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  1. ^Verifica regolare del gioco di funzionamento, suferodo.it.
  2. ^L'IMPIANTO FRENANTE Tecnica costruttiva, sunotiziariomotoristico.com.
  3. ^Tubi freno, meglio treccia o gomma?, sumotociclismo.it.
  4. ^Kit tubi freno & frizione, sualcotech.eu.URL consultato il 13 dicembre 2014(archiviato dall'url originale il 9 gennaio 2015).

Bibliografia

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  • E. Funaioli - A. Maggiore - A. Meneghetti,Lezioni di meccanica applicata alle macchine, Vol. 1,Pàtron Editore, 1994, p. 37, p. 48, p. 66.
  • G. Jacazio – B. Piombo,Meccanica applicata alle macchine, Vol. 2,Levrotto & Bella, 1992, pp. 309–310.

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Collegamenti esterni

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Controllo di autoritàThesaurus BNCF61792 ·LCCN(EN) sh2014000953 ·GND(DE) 4179452-7 ·BNF(FR) cb12398340t(data) ·J9U(EN, HE) 987007581549205171
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