Il sistema frenante è progettato per ridurre la velocità del veicolo e fermarlo completamente (in caso di emergenza), nonché per mantenere in posizione un veicolo fermo. L’impianto frenante resta una delle componenti fondamentali per ogni veicolo, per la sicurezza di tutti gli occupanti.
Sia in campo auto che moto, per frenare un veicolo viene trasformata l’energia che questo ha accumulato prendendo velocità, in attrito e calore mediante l’azione dei freni rallentando di fatto il mezzo. Spesso nelle nostre anteprime dei gran premi mostriamo la potenza frenante con i dati forniti da Brembo, che in talune condizioni per frenare una vettura da F1 impiegano anche 3000cv, mentre per accelerare a 300Km/h da fermo necessitano meno di 1000cv.
Questa differenza indica l’importanza che hanno i freni, più di quanto possa essere percepibile dall’appassionato o dall’automobilista che usa la sua vettura quotidianamente. L’impianto frenante costituisce le fondamenta per una guida sicura. Ecco perché richiede sempre molta attenzione.
Tipologie di Impianto Frenante
L’impianto frenante può essere classificato in:
- Meccanico: usato agli albori dell’automobile.
- Idraulico: ancora oggi in uso.
- Aerodinamico: fa uso di appendici alari, usato dalle più recenti supercar ed ipercar.
- Elettrico: sempre più in voga per effetto della diffusione delle vetture ibride ed elettriche.
- Pneumatici: in uso su veicoli di una certa stazza come autobus e autocarri.
Componenti Principali dell'Impianto Frenante Idraulico
Le componenti principali del sistema frenante sono l’attuatore e i meccanismi del freno. L’impianto frenante classico è composto da:
- Un serbatoio per l’olio.
- Una pompa di comando.
- Tubazioni composte da elementi rigidi collegati attraverso elementi flessibili e raccordi.
- Tamburi con ganasce, oppure dischi con pinze e pattini per l’azione frenante vera e propria.
Inoltre, ci sono sistemi di controllo come correttori e regolatori di frenata, e di controllo dell’antibloccaggio delle ruote come l’ABS.
Freni a Tamburo e Freni a Disco
Sulle auto moderne si possono oggi trovare due tipologie di freno: freni a tamburo e freni a disco. I freni a tamburo e a disco sono diversi non solo nel processo di pressione delle pastiglie contro il tamburo o il disco, ma anche nel tipo stesso di meccanismo frenante.
Freni a Tamburo
Il sistema frenante a tamburo è di tipo chiuso. Naturalmente, questo non significa che sia un sistema sigillato, ma che l’intero meccanismo è collegato allo scudo protettivo del freno sull’asse e a sua volta è racchiuso dal tamburo del freno. I freni a tamburo montati su tutte e quattro le ruote sono stati lo standard per molti anni.
In questo tipo di sistema frenante, il pistone è sottoposto a pressione idraulica e, a sua volta, spinge una ganascia di forma curva verso l’esterno. In tal modo, il materiale di attrito rivettato o legato alla pastiglia entra in contatto con l’interno del tamburo del freno, rallentandone la rotazione insieme alla rotazione dell’asse.
I freni a tamburo hanno effettivamente funzionato bene in passato e lo fanno ancora, ma chiunque abbia provato a fermarsi ad alta velocità usando esclusivamente freni a tamburo si rende subito conto che hanno i loro limiti. Il loro limite più importante è che essi perdono efficacia quando si surriscaldano. Infatti, il calore generato provoca una conseguente dilatazione cosicchè la pastiglia deve percorrere una distanza maggiore per raggiungere il tamburo, il che significa che il pedale del freno deve essere premuto più a fondo. Altro limite è il coefficiente di attrito delle pastiglie relativamente instabile, a seconda della temperatura, dell’umidità, ecc.
Il sistema del freno a tamburo, invece, è posto all’interno della ruota ed è composto da cilindri ruota, e ganasce. Il cilindro e il segmento si allontanano durante la frenata per riunire le ganasce all’interno del tamburo.
Le ganasce sono costituite da un arco di acciaio sul quale viene fatto aderire per sinterizzazione o tramite rivetti il materiale d'attrito.
Freni a Disco
I freni a disco cominciarono ad essere installati sulle ruote anteriori poichè esse sono quelle più sollecitate dalle forze frenanti. Inizialmente, i freni a disco erano più complessi di quanto non siano oggi, poiché ogni pastiglia del freno aveva il proprio cilindro individuale che premeva contro il disco. Nel corso degli anni, questo complesso design è rimasto solo su auto costose, molto veloci o pesanti.
I freni a disco possono essere raffreddati in modo più efficace perché l’aria può circolare liberamente tra il disco e la superficie della pastiglia. Esistono anche dischi ventilati, che hanno due superfici di attrito. La maggior parte dei freni a disco anteriori sulle auto moderne è di tipo ventilato, perché queste ruote compiono la maggior parte del lavoro di arresto. Allo stesso tempo, la maggior parte dei freni posteriori non sono ventilati.
Il disco, solidale alla ruota attraverso il mozzo o il semiasse, gira passando fra le due pastiglie alloggiate nella pinza, a una distanza di circa 0,2mm. L'energia posseduta dal veicolo in movimento, viene trasformata dall'attrito in calore, la cui quantità è tanto maggiore quanto più è pesante e veloce l'autovettura all'atto della frenata.
Oggetto di molta attenzione da parte degli appassionati di automobili poiché la frenata viene fortemente influenza dal potere di attrito delle pastiglie. Più sarà l’attrito, più il rumore aumenterà. costituiscono un sistema performante ed è composto da pinze solidali al telaio fornite di pastiglie e un disco in ghisa solidale con la ruota.
I pistoni dei cilindri delle pinze reagiscono alla pressione idraulica e spingono le pastiglie contro i dischi, generando un attrito che determina un rallentamento della ruota. Se le pastiglie sono difettose possono danneggiare il disco. Le pastiglie devono essere controllate periodicamente e sostituite in caso di loro consumo. Attualmente, in conformità alla Direttiva 2002/78/CE, le pastiglie non contengono più amianto con in passato. Anche i dischi si usurano per cui vanno controllati e sostituiti se presentano graffi profondi, se sono velati, incrinati o ossidati.
Il Liquido dei Freni
Partendo dalla descrizione di un circuito idraulico in questo sistema viene messo in pressione un liquido incomprimibile attraverso una pompa mediante l’azione del pilota sul comando a pedale. Oggi ci sono sistemi Wire Less in uso anche in F1 che usano il pedale come un interruttore o potenziometro non collegato meccanicamente al sistema. Il liquido dei freni è un componente essenziale il cui ruolo è quello di mantenere il sistema in buone condizioni. La frenata funziona grazie al liquido freni e all’impianto idraulico trasmesso ai 4 cilindri freno.
Questo è formato da un olio particolare che utilizza degli additivi antischiuma con determinate caratteristiche ben definite. Per evitare fenomeni di affaticamento soprattutto per un uso intenso dell’impianto si deve evitare che si formino bolle di vapore per effetto dell’aumento della temperatura del liquido, quindi deve avere un elevato punto di ebollizione almeno a 260°C, inoltre deve avere una viscosità tale da funzionare bene anche alle basse temperature, e non deve avere elementi chimici al suo interno che possono danneggiare tubazioni e guarnizioni dell’impianto, infine deve aver anche capacità lubrificanti per facilitare il movimento delle guarnizioni e dei cilindretti per gli elementi frenanti veri e propri.
A prescindere dal livello, anche se questo rimane costante nel tempo, per preservare le sue caratteristiche principali è sempre consigliabile una sostituzione completa del liquido almeno ogni due anni. Un liquido troppo usurato si carica di acqua e può comportare una perdita di efficacia soprattutto se la frenata è intensa.
Il liquido dei freni passa attraverso delle tubazioni. Queste sono molto complesse, formate da elementi rigidi, collegate agli elementi finali flessibili. Questi ultimi sono fondamentali soprattutto per la questione dell’affaticamento. La pressione del liquido dei freni tende ad allargare la sezione flessibile del tubo, questo porta ad una riduzione della forza frenante.
La cosa diventa ancora più evidente quando l’impianto è sotto sforzo nelle condizioni di affaticamento. Questo fenomeno porta ad una riduzione della consistenza del pedale del freno, di dice che diventa spugnoso perdendo mordente, per evitare questa condizione si usano tubazioni particolari che resistono alla deformazioni per alte pressioni con il pedale del freno che rimane stabile e consistente senza perdere mordente sugli elementi finali come tamburi e dischi freno.
La Pompa Freno
Il pedale del freno è collegato alla pompa freno, che, come accennato in precedenza, ha la funzione di convertire la forza esercitata sul pedale del freno in pressione idraulica. La pompa frenante mette in pressione il liquido stipato in un serbatoio di solito ben visibile e trasparente nel vano motore.
La pompa quindi mette in pressione il liquido che per effetto del fatto che è incomprimibile trasferisce il carico sugli elementi frenanti che faranno azione o sulle parti interne del tamburo, o esterne mordendo il disco freno. Ovviamente nei comandi meccanici, oggi ancora largamente diffusi, la pressione sul pedale determina anche quella sugli elementi frenanti.
Il Cilindro Maestro
Il cilindro maestro dei freni, conosciuto anche come pompa freno, è uno dei componenti fondamentali del sistema frenante di un’automobile. Sebbene nascosto alla vista, è il cuore idraulico che permette a tutto il circuito frenante di entrare in azione ogni volta che il conducente preme il pedale del freno.
Il cilindro maestro è un componente idraulico che converte la pressione meccanica esercitata sul pedale del freno in pressione idraulica, la quale viene poi trasmessa ai freni delle ruote. È costituito principalmente da un corpo in metallo (solitamente alluminio o ghisa), al cui interno si trovano uno o più pistoncini (nei sistemi a doppio circuito) e molle di ritorno.
Quando il conducente preme il pedale del freno, una forza meccanica viene trasmessa tramite un’asta di spinta al pistone interno del cilindro maestro. Questo pistone avanza nel suo alloggiamento e comprime il liquido freni, spingendolo attraverso le tubazioni verso le pinze freno (nei freni a disco) o i cilindri ruota (nei freni a tamburo).
Il Servofreno
Per aumentare la forza frenante con un minore sforzo sul pedale da parte del conducente si usa un servofreno. Quello usato dalla maggioranza dei veicoli moderni è di tipo a depressione. Nel caso si tratti di un motore benzina o ciclo otto, il sistema utilizza la depressione fornita dal collettore di aspirazione, mentre per i motori diesel la depressione viene prodotta da una pompa di vuoto specifica.
In sostanza quando il conducente aziona il pedale, il servofreno utilizzando la depressione di uno dei due sistemi sopracitati, amplifica la potenza, che può arrivare anche la doppio della forza impressa sul pedale. Il servofreno classico è formato da due camere, una anteriore ed una posteriore divise da una membrana elastica.
Un tubo collega il servofreno al collettore o la pompa di vuoto, controllato da una valvola di non ritorno. Il servofreno viene collegato direttamente al pedale e su di esso viene anche montata la pompa.
L'importanza dell'ABS e dell'ESP
L'unità ABS è un sistema utilizzato nelle automobili dagli anni '70, dopo essere stato utilizzato per la prima volta in un'auto di Formula 1 negli anni '60. La commercializzazione del sistema è merito della Bosch. il sistema ABS sia un sistema di assistenza alla frenata che impedisce il bloccaggio delle ruote in caso di arresto improvviso su fondi scivolosi grazie alla presenza di sensori posizionati sulle singole ruote che “dialogano” con una centralina elettronica.
Questa calcola la velocità di rotazione di ogni ruota e, nel caso in cui la centralina rilevi il bloccaggio di una o più ruote in frenata, interviene sulla pompa idraulica per diminuire la forza di frenata. In una frenata improvvisa, quindi, l’automobilista dovrà soltanto preoccuparsi di premere il pedale del freno senza dover pensare all’eventuale bloccaggio delle ruote. Sarà la centralina dell’ABS a dosare correttamente la forza frenante evitando la perdita di direzionalità del mezzo. Quando l’ABS entrerà in funzione, si avvertirà una sorta di vibrazione nel pedale del freno.
Come accennato, l'unità ABS fornisce un pompaggio verso la pinza, in modo che la ruota non possa bloccarsi. Questo è un processo molto veloce che si ripete decine di volte al secondo. Il motore della pompa del sistema ABS garantisce il mantenimento della pressione sul sistema frenante. L'HCU sta per "Hydraulic Control Unit" o unità di controllo idraulica, viene chiamato anche blocco idraulico. L'HCU è un blocco di alluminio con varie valvole e canali.
Quando interviene l'ABS, è importante alleviare la pressione che il sistema accumula frenando una ruota. Questo viene fatto tramite le valvole. Sulla base dei dati, ad esempio, dei sensori delle ruote e dei sensori di pressione, la centralina dell'ABS determina se l'ABS debba effettivamente intervenire.
Oltre al sistema ABS convenzionale, sempre più unità utilizzano ESP, che sta per Electronic Stability Program. Mentre l'ABS assicura che le ruote non si blocchino durante la frenata, ESP assicura che l'auto vada effettivamente nella direzione desiderata dal guidatore. Quando l'auto minaccia di diventare sottosterzante o sovrasterzante, la funzionalità ESP frena una o più ruote, in modo che l'auto rimanga dritta sulla strada.
In un impianto dotato di ESP, il modulo idraulico può azionare i freni anche senza che il guidatore prema il pedale.
Manutenzione dell'Impianto Frenante
Essendo un equipaggiamento di sicurezza, i freni dovrebbero essere controllati regolarmente. La frequenza di sostituzione dipende dall’uso del veicolo, sapendo che le nuove pastiglie devono essere installate ogni 40.000 km circa. È previsto un cambio del disco del freno quando mostra un’usura del 15%.
Le perdite sono i problemi principali dell’impianto frenante. Si riconoscono da un pedale che arriva a terra o da una spia sul cruscotto. Poiché possono danneggiare l’intero sistema, le perdite devono essere controllate rapidamente. Anche l’usura delle pastiglie dei freni è un problema comune. Deriva dall’uso ripetuto dei freni. Le pastiglie usurate sono indicate da un rumore metallico, sapendo che c’è attrito a livello del disco. Inoltre, in caso di dischi freno usurati, l’auto potrebbe fermarsi in modo insolito.
Il liquido presente nel serbatoio fa parte di un circuito sigillato, di conseguenza se cala il suo livello, può dipendere solo dall’usura degli elementi frenanti che modificando la loro posizione in funzione dello stato facendo scendere il livello del liquido. Se questo scende sotto un livello minimo i casi sono due, o si è giunti al limite di usura degli elementi frenanti o c’è un problema di perdita da qualche parte nell’impianto.
In sostanza il liquido freni non deve essere mai rabboccato, il livello torna al massimo appena si cambiano le guarnizioni frenanti, diversamente c’è una perdita e va individuata immediatamente. Per quanto riguarda l’usura dei freni, di solito ha come conseguenza una risposta anomala del pedale, e la macchina potrebbe vibrare in fase di frenata.
Consigli Utili: Un cilindro maestro difettoso non deve mai essere trascurato: anche un lieve malfunzionamento può compromettere seriamente la sicurezza del veicolo. I freni sono senz’altro una delle parti più importanti all’interno di un veicolo, in quanto sono i principali responsabili della sicurezza sulla strada.
Le varie componenti dell’impianto frenante, sottoposte a costante attrito, si rovinano più facilmente. Alcune di queste componenti sono consumabili: dischi dei freni, ganasce, tamburi, pastiglie vanno sostituiti quando l’usura diventa importante.
Affidarsi a professionisti ed esperti del settore, garantisce ulteriormente l'affidabilità della vostra auto.
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