Conosci il tuo impianto frenante? Sai come funziona tutto il set e quali sono i principali problemi che i freni possono darci? Per questo siamo qui, per dirti tutto quello che c’è da sapere sull’impianto frenante, in modo che tu sappia individuarne i principali segni di degrado. È molto improbabile che ci troviamo in situazioni che causano la rottura di un disco del freno, ma possiamo riscontrare sbiadimento o altri problemi minori. Ecco perché andremo a vedere tutto nel dettaglio, per fare un po’ di luce sull’interessante mondo dell’impianto frenante.
Tipi di Freni e Funzionamento del Sistema
I freni più comuni oggi sono i freni a disco. In passato, i freni a tamburo erano montati su tutte le vetture, sia sulle ruote anteriori che posteriori. Con la comparsa dei freni a disco, il tamburo è stato lasciato da parte a causa della sua minore efficienza, essendo prima montato sulle ruote posteriori e poi scomparendo completamente.
Una classica classificazione degli impianti frenanti potrebbe essere questa:
- Freni a tamburo: è costituito da un tamburo rotante solidale alla ruota che ha un materiale di attrito in grado di frenare l’auto quando viene spinta contro il tamburo.
- Freni a disco: è costituito da un disco rotore metallico su cui viene esercitata la pressione attraverso le pinze dei freni (che hanno pastiglie in materiale di attrito montate) per mezzo di un sistema idraulico, normalmente. Queste pastiglie sono ciò che viene applicato contro la superficie del disco per generare forza frenante.
- Freno di stazionamento: il freno a mano, che agisce solo sulle ruote posteriori e serve a mantenere ferma l’auto in un parcheggio.
Come funziona l’impianto frenante
Le auto moderne hanno freni su tutte e quattro le ruote, che funzionano attraverso un sistema idraulico. I freni possono essere a disco o a tamburo.
I freni anteriori, quando si tratta di fermare l’auto, sono più importanti di quelli posteriori perché in frenata il peso dell’auto ricade sulle ruote anteriori. Molte auto hanno freni a disco sull’asse anteriore, che sono generalmente più efficienti, e freni a tamburo sull’asse posteriore. I sistemi di freno a disco completi sono utilizzati principalmente in auto di fascia alta o ad alte prestazioni e i sistemi di freno a tamburo completi sono utilizzati in auto più vecchie o più piccole.
Freni Idraulici
In un circuito del freno idraulico, un cilindro principale e cilindri ausiliari sono collegati da tubi. Quando il pedale del freno viene premuto, preme su un pistone nel cilindro principale costringendo l’olio a circolare attraverso un tubo.
L’olio viaggia verso i cilindri ausiliari di ciascuna delle ruote, riempiendoli e costringendo i pistoni ad azionare i freni. La pressione dell’olio è distribuita uniformemente intorno al sistema. L’area di “pressione” combinata di tutti i pistoni ausiliari è maggiore di quella del pistone nel cilindro principale. Costantemente il pistone maestro deve percorrere diversi centimetri, per poter spostare la frazione di centimetro di cui il pistone ausiliario ha bisogno per azionare i freni.
Questa disposizione consente ai freni di esercitare una grande forza, allo stesso modo in cui una leva manuale può sollevare facilmente un oggetto pesante a breve distanza. La maggior parte delle auto moderne è dotata di doppi circuiti idraulici, con due cilindri principali in tandem in caso di guasto di uno.
A volte uno di questi circuiti funziona sui freni anteriori e l’altro sui freni posteriori, a volte entrambi i circuiti funzionano su entrambi i freni anteriori e su uno dei freni posteriori, a volte un circuito funziona su tutti e quattro i freni e l’altro solo sui freni davanti. In frenata di emergenza, il peso in eccesso può bloccare le ruote posteriori, causando eventualmente un pericoloso sbandamento.
Per questo motivo i freni posteriori hanno volutamente meno potenza di quelli anteriori. Oggi la maggior parte delle auto ha una valvola sensibile al sovraccarico di pressione. Si chiude quando la frenata di emergenza aumenta la pressione idraulica a un livello che potrebbe causare il bloccaggio dei freni posteriori e impedisce qualsiasi ulteriore movimento di olio ai freni posteriori.
Le auto più recenti possono anche avere complessi sistemi di blocco automatico, che rilevano in vari modi come l’auto sta rallentando e se le ruote sono bloccate. Questi sistemi innestano e rilasciano i freni in rapida successione, impedendone il bloccaggio.
Freni Servoassistiti
Molte auto sono dotate anche di servoassistenza per ridurre lo sforzo richiesto per azionare i freni. Tipicamente, la fonte di energia è la differenza di pressione tra il vuoto parziale nel collettore di aspirazione e l’aria esterna. La servounità che fornisce l’assistenza ha un raccordo in tubo al collettore di aspirazione. Un servo ad azione diretta è installato tra il pedale del freno e il cilindro principale. Il pedale del freno spinge su un’asta, che spinge sul pistone del cilindro principale.
Il pedale del freno funziona anche su una serie di valvole dell’aria. C’è anche un grande diaframma in gomma collegato al pistone del cilindro principale. Quando i freni non funzionano, entrambi i lati del diaframma sono esposti alla depressione del collettore.
Premendo il pedale del freno si chiude la valvola che collega la parte posteriore della membrana al collettore e si apre una valvola che consente l’ingresso dell’aria dall’esterno. L’elevata pressione dell’aria esterna costringe la membrana ad andare avanti e spingere il pistone della pompa freno, facilitando così l’azione frenante.
Se si tiene premuto il pedale, la valvola dell’aria non immetterà più aria dall’esterno, quindi la pressione sui freni rimarrà la stessa. Quando il pedale viene rilasciato, lo spazio dietro il diaframma si riapre al collettore, la pressione diminuisce e il diaframma torna indietro.
Se la depressione si guasta a causa dello stallo del motore, i freni continueranno a funzionare perché il collegamento tra il pedale e la pompa freno è meccanico. Tuttavia, per attivarlo è necessario utilizzare molta più forza sul pedale del freno.
Freno a Disco
Un freno a disco ha un disco che ruota con la ruota. Il disco è montato con una pinza, che ha piccoli pistoni idraulici che funzionano a pressione dal cilindro principale.
I pistoni premono contro le pastiglie dei freni, che sono attaccate a ciascun lato del disco, per rallentare o fermarsi. I pad sono progettati per coprire un ampio settore del disco. Potrebbero esserci più di una coppia di pistoni, specialmente nei circuiti a doppio freno. I pistoni si muovono solo per una breve distanza per azionare i freni e le pastiglie si sollevano a malapena dal rotore quando i freni vengono rilasciati. Questi non hanno molle per tornare al loro posto.
Gli anelli di tenuta in gomma, che si trovano attorno ai pistoni, sono progettati per far scorrere gradualmente i pistoni in avanti man mano che le pastiglie si usurano, in modo che il piccolo gioco rimanga costante e i freni non abbiano bisogno di regolazioni. Molte auto più recenti hanno sensori collegati alle pastiglie dei freni che indicano l’usura. Quando uno di questi è quasi completamente usurato, il sensore viene esposto al disco metallico e l’attrito tra di loro invia un segnale di avviso al cruscotto.
Freni a Tamburo
Un freno a tamburo è dotato di un tamburo cavo che ruota con la ruota. La sua parte posteriore aperta è coperta da una piastra posteriore fissa, su cui ci sono due scarpe curve che gestiscono l’attrito.
Le ganasce vengono spinte verso l’esterno dalla pressione idraulica, spostando i pistoni nei cilindri dei freni delle ruote, facendo in modo che le guarnizioni di attrito esercitino una pressione all’interno del tamburo per rallentare o fermarsi. Ogni ganascia del freno ha un perno a un’estremità e un pistone all’altra. Il pattino principale ha il pistone sul bordo anteriore, rispetto alla direzione in cui ruota il tamburo.
La rotazione del tamburo tende a tirare saldamente contro di essa il pattino principale quando entra in contatto, migliorando l’effetto frenante. Alcuni tamburi hanno due pattini principali, ciascuno con il proprio cilindro idraulico. Altri ne hanno uno principale e uno di coda, con il perno davanti.
Questo design consente di separare le due scarpe l’una dall’altra da un unico cilindro, con un pistone a ciascuna estremità. Questo è più semplice ma meno potente del sistema a due pattini principali e viene normalmente utilizzato solo sui freni posteriori.
In entrambi i casi, le molle di richiamo ritraggono leggermente le ganasce quando i freni vengono rilasciati. Il movimento della scarpa è mantenuto il più breve possibile da un dispositivo di regolazione. I sistemi più vecchi hanno regolatori manuali che devono essere ruotati di tanto in tanto mentre vengono utilizzate le guarnizioni di attrito. I sistemi frenanti più recenti si autoregolano tramite un cricchetto.
I freni a tamburo possono usurarsi se vengono azionati ripetutamente in un breve periodo di tempo, perché si surriscaldano e perdono la loro efficienza fino a quando non si raffreddano nuovamente. I dischi a causa della loro costruzione più aperta sono meno soggetti a usura.
Il Freno di Stazionamento
Oltre all’impianto frenante idraulico, tutte le vetture dispongono di un freno di stazionamento meccanico che agisce su due delle ruote. Di solito il posteriore. Il freno di stazionamento fornisce una frenata limitata in caso di guasto completo dell’impianto idraulico, sebbene la sua funzione principale sia quella di immobilizzatore di parcheggio.
La leva del freno di stazionamento tira un cavo o una coppia di cavi collegati ai freni per mezzo di una serie di levette, pulegge e guide. Questi possono variare notevolmente da macchina a macchina. Il nottolino sulla leva del freno di stazionamento consente di tenere il freno una volta azionato. Un pulsante sgancia il nottolino e rilascia la leva.
Nei freni a tamburo, il sistema del freno di stazionamento preme le guarnizioni dei freni contro i tamburi. I freni a disco a volte hanno un legame particolare con il freno di stazionamento. Poiché è difficile inserire il collegamento in una pinza compatta, potrebbe esserci un set completamente separato di pastiglie del freno di stazionamento per ciascun disco.
Il freno di stazionamento agisce sulle ganasce per mezzo di un sistema meccanico, separato dal cilindro idraulico, che consiste in una leva e un braccio sul tamburo del freno.
Componenti dell'Impianto Frenante Idraulico
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 a tamburi con ganasce.
- Dischi con pinze e pattini per l’azione frenante vera e propria.
- Sistemi di controllo come correttori e regolatori di frenata.
- Sistemi di controllo dell’antibloccaggio delle ruote come l’ABS.
Secondo le norme di legge vigenti da molti anni ormai gli impianti frenanti hanno due circuiti separati che comandano le ruote di un automobile. In questo modo, che se dovesse esserci un’avaria, almeno due ruote incrociate sono ancora in condizioni di poter frenare il veicolo.
Pompa Frenante
La pompa frenante mette in pressione il liquido stipato in un serbatoio di solito ben visibile e trasparente nel vano motore. 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.
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.
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.
Liquido Freni
L’impianto frenante idraulico, si basa sulla premessa che deve sfruttare l’azione di pressione su un liquido incomprimibile. Questo è formato da una 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.
Tubazioni
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.
Sistemi di Sicurezza Avanzati
Parlando di sistemi frenanti dobbiamo necessariamente citare le soluzioni di ultimissima generazione che hanno permesso un significativo passo in avanti in termini di sicurezza.
ABS (Sistema Antibloccaggio Ruote)
È il sistema di antibloccaggio delle ruote. Risulta molto utile su strade a basso coefficiente di aderenza, in presenza di ghiaccio, pioggia o fango, o in tutte le situazioni in cui si rischia di perdere il controllo del veicolo. Oltre ad impedire il bloccaggio delle ruote, riduce gli spazi di arresto e garantisce una buona manovrabilità anche in condizioni estreme.
ESP (Controllo Elettronico della Stabilità)
L’ESP (chiamato anche ESC o DSC a seconda del costruttore) è un’evoluzione dell’ABS: non solo previene il bloccaggio delle ruote in frenata, ma agisce attivamente sulla dinamica del veicolo, correggendo eventuali “sbandate”.
Cilindro Maestro (Pompa Freno)
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.
Funzionamento del Cilindro Maestro
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).
Cilindro Maestro e Sistemi di Sicurezza
Nei veicoli sprovvisti di ABS, il cilindro maestro è collegato direttamente alle quattro ruote tramite le linee idrauliche. Il sistema è completamente meccanico-idraulico, senza componenti elettroniche che modulino la pressione frenante. La frenata avviene in modo lineare: più si preme il pedale, maggiore è la pressione esercitata sui freni.
Nei veicoli dotati di ABS, il circuito idraulico è interrotto dal modulo ABS, un’unità elettroidraulica posta tra la pompa freno e le ruote. La funzione dell’ABS è modulare automaticamente la pressione frenante per evitare il bloccaggio delle ruote durante una frenata d’emergenza.
Manutenzione del Cilindro Maestro
Come ogni componente meccanico e idraulico, anche il cilindro maestro è soggetto a usura e malfunzionamenti. Il problema più comune è il deterioramento delle guarnizioni interne (solitamente in gomma o materiale sintetico), che può portare a trafilaggi interni di liquido e perdita di pressione.
La sostituzione del cilindro maestro è una procedura delicata che richiede attenzione. Dopo l’installazione, è essenziale effettuare lo spurgo dell’intero impianto frenante per eliminare eventuali bolle d’aria, che comprometterebbero la capacità di frenata. Un cilindro maestro difettoso non deve mai essere trascurato: anche un lieve malfunzionamento può compromettere seriamente la sicurezza del veicolo.
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