I freni sono indubbiamente una delle componenti più vitali di un veicolo, poiché svolgono un ruolo primario nella sicurezza stradale. Le diverse parti dell'impianto frenante, costantemente soggette ad attrito, tendono a deteriorarsi più rapidamente.

Componenti Soggette a Usura

Alcune componenti sono considerate consumabili e necessitano di sostituzione periodica. Tra queste:

  • Dischi dei freni
  • Ganasce
  • Tamburi
  • Pastiglie

Questi elementi devono essere sostituiti quando l'usura diventa significativa per garantire un'efficace capacità frenante.

Composizione dell'Impianto Frenante

Ma come è composto un impianto frenante? L'impianto frenante può essere classificato in meccanico, usato agli albori dell’automobile, idraulico ancora oggi in uso, aerodinamico che fa uso si appendici alari, usato dalle più recenti supercar ed ipercar, ed ancora elettrico sempre più in voga per effetto della diffusione delle vetture ibride ed elettriche, infine pneumatici in uso su veicoli di una certa stazza come autobus e autocarri.

Il Sistema ABS

L'unità ABS (Anti-lock Braking System) è un sistema introdotto nelle automobili negli anni '70, dopo essere stato utilizzato per la prima volta in Formula 1 negli anni '60. La commercializzazione del sistema è attribuita a Bosch.

Il sistema ABS è un ausilio alla frenata che previene il bloccaggio delle ruote in caso di frenata improvvisa su superfici scivolose. Grazie a sensori posizionati sulle singole ruote che comunicano con una centralina elettronica, il sistema calcola la velocità di rotazione di ogni ruota e interviene sulla pompa idraulica per diminuire la forza frenante se rileva il bloccaggio di una o più ruote.

In una frenata improvvisa, l'automobilista deve solo premere il pedale del freno senza preoccuparsi del bloccaggio delle ruote. La centralina dell'ABS dosa correttamente la forza frenante evitando la perdita di direzionalità del mezzo. Quando l'ABS è attivo, si avverte una 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.

HCU (Hydraulic Control Unit)

L'HCU, o unità di controllo idraulica, è un blocco di alluminio con valvole e canali. Quando interviene l'ABS, è importante alleviare la pressione accumulata frenando una ruota. Questo viene fatto tramite le valvole. Sulla base dei dati dei sensori delle ruote e di pressione, la centralina dell'ABS determina se l'ABS debba intervenire.

ESP (Electronic Stability Program)

Oltre all'ABS, molte unità utilizzano l'ESP (Electronic Stability Program). Mentre l'ABS previene il bloccaggio delle ruote durante la frenata, l'ESP assicura che l'auto vada nella direzione desiderata dal conducente.

Quando l'auto rischia di sottosterzare o sovrasterzare, l'ESP frena una o più ruote per mantenere l'auto dritta sulla strada.

Il Disco Freno

Il disco, collegato alla ruota tramite il mozzo o il semiasse, ruota tra le due pastiglie alloggiate nella pinza, a una distanza di circa 0,2 mm. L'energia cinetica del veicolo in movimento viene trasformata in calore dall'attrito. La quantità di calore generata dipende dal peso e dalla velocità dell'auto durante la frenata.

Ganasce

Le ganasce sono costituite da un arco di acciaio su cui viene applicato il materiale d'attrito tramite sinterizzazione o rivetti. 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.

Sistema Frenante Idraulico

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. 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, 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

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. Ricordiamo che questo sistema non è la salvezza assoluta in caso di guasto. Un conducente difficilmente si accorge del problema in anticipo, e quando andrà ad azionale il pedale del freno, avrà solo la metà della forza frenante con un bilanciamento approssimativo. Quindi sapere di avere un impianto sdoppiato non toglie al conducente l’incombenza di avere cura meticolosa per l’efficienza del proprio impianto frenante.

Ci sono anche altri sistemi di sicurezza oggi obbligatori come l’ABS, ovvero il sistema che impedisce il bloccaggio dei freni che tratteremo sia per funzionamento che per utilizzo in seguito. 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. Ovviamente nei comandi meccanici, oggi ancora largamente diffusi, la pressione sul pedale determina anche quella sugli elementi frenanti. 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.

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. I più attenti monteranno allo spegnimento del motore, un netto indurimento del pedale del freno che torna ad essere direttamente collegato alla pompa senza ausilio intermedio. Ci sono sistemi che consentono di tenere un serbatoio di vuoto in modo da consentire almeno qualche frenata prima del netto indurimento del pedale del freno, che per inciso non perde ancora la sua efficacia, ma va solo azionato con maggiore veemenza per fermare il veicolo a motore spento. I più fortunati ricorderanno la forza che necessitava sulle vecchie utilitarie degli anni 50 e 60 per frenare l’auto quando non veniva usato il servofreno.

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. 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.

Liquido Freni

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. A. Questo fenomeno, considerato uno dei più preoccupanti e pericolosi tra quelli connessi con la perdita dell'efficienza frenante, è legato al liquido freni. La frenata genera un surriscaldamento considerevole e per resistere a queste alte temperature senza raggiungere l'ebollizione, il liquido freni è dotato di un punto di ebollizione elevato. Ma il liquido freni è anche igroscopico, il che significa che assorbe l'acqua. Quando questo assorbimento dell'umidità raggiunge un certo livello, a seguito di frenate brusche e prolungate, soprattutto in presenza di clima caldo e carichi pesanti, il calore può portare il liquido freni all'ebollizione, creando bolle di gas. Poiché il gas è molto più comprimibile del liquido, il conducente non avvertirà alcuna pressione sul pedale del freno.

Scelta e Sostituzione del Liquido Freni

La scelta del liquido freni giusto da immettere nell'impianto idraulico è fondamentale. Dovrà essere sempre utilizzato il tipo specifico raccomandato dai costruttori di veicoli. Naturalmente anche la qualità del liquido freni è un aspetto determinante. Sebbene molti costruttori di veicoli e dispositivi frenanti forniscano raccomandazioni minime a cui attenersi, il momento giusto per la sostituzione del liquido freni non deve essere calcolato sulla base degli anni o del chilometraggio del veicolo. L'unico modo per controllare il liquido è di precedere al collaudo facendolo bollire.

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