Sistemi di frenatura – ieri, oggi e domani

I freni sono uno dei componenti più importanti di un veicolo, per la nostra sicurezza. Nel nostro articolo scoprirai come è stata l’evoluzione degli impianti frenanti e quali sono le attuali tendenze di design nel campo dei freni.

Storia dei sistemi frenanti

Sebbene l’importanza dei freni sia oggi indiscutibile, questi dispositivi erano inizialmente inefficaci, complessi e difficili da usare nelle prime auto.

I designer di cento anni fa erano più interessati ai motori che ai freni. Poi, negli anni ’10 e ’20 del ventesimo secolo, le auto sono diventate sempre più veloci, il che ci ha costretto a premere vigorosamente il freno, o più precisamente – tirare, perché il cosiddetto freno a nastro erano azionati manualmente.

I freni a tamburo montati sull’assale erano in una fase sperimentale all’inizio del 1900. A causa della loro costruzione grossolana, erano costruiti all’esterno, era impossibile riscaldarsi durante la guida su strade di montagna tortuose e il loro intervallo di manutenzione era di circa 500 chilometri (!).

Alcuni anni dopo, nella ruota furono installati due freni a tamburo dell’asse posteriore, che ne ridussero la sensibilità alle condizioni meteorologiche (a quel tempo si frenava solo l’asse posteriore). La loro vita di servizio era di 1,6 mila. chilometri.

Il freno a tamburo è ancora utilizzato nell’industria automobilistica, sebbene principalmente nelle autovetture più piccole.

I freni a disco iniziassero ad essere utilizzati in serie negli anni ’50, il principio stesso del loro funzionamento era noto già nel 1898. L’inventore americano Elmer Ambrose Sperry li utilizzò per la prima volta nella sua auto elettrica, in cui anche il freno era controllato dall’elettricità . Ciò dimostra che le origini delle auto elettriche e dei freni elettrici sono molto più antiche di quanto si possa pensare.

Già nel 1953, Dunlop sviluppò un sistema di freni a disco molto simile a quello odierno montato sulla Jaguar di tipo C. Non è stato il primo veicolo a disporre di freni a disco, ma è comunque considerato una pietra miliare tecnica.

Ci sono stati anche miglioramenti: il tipo di rivestimento, depressione assistita, idraulica, freni ad aria compressa, ABS e altri ausiliari elettronici.

Tipi di freni a disco

Freno a disco flottante: i freni sono stati rapidamente utilizzati per risparmiare. Ben presto fu creata una famiglia di freni a pinza flottante, che da allora è diventata la casa delle automobili. Hanno una caratteristica comune: i pistoni sono da un lato, il pattino opposto è allentato (quindi “flottante”), ma preme anche contro il disco quando è pinza.

Un freno a disco flottante può essere trovato sulla maggior parte delle autovetture di piccole e medie dimensioni. Il suo nome deriva dal fatto che il suo meccanismo di bloccaggio ricorda un pugno chiuso. Entrambi i lati del morsetto sono tirati con perni, che sono molto ben nascosti e protetti da tutte le influenze esterne. È più facile da installare rispetto a un morsetto fisso. Vediamo il principio di funzionamento del freno a disco:

Freno a disco flottante con pastiglie integrate: è quasi esattamente lo stesso dell’articolo precedente, solo le pastiglie sono integrate nel telaio. A causa della compressione del pistone, non solo preme contro la pastiglia su un lato, ma tira anche l’altro braccio della pinza, attirando l’altra pastiglia.

Freno a disco con pinze flottanti collegate: entrambi i tipi di freni sopra menzionati presentano un problema: possono essere caricati solo in misura limitata rispetto alle pinze fisse. Pertanto, per evitare la necessità di utilizzare morsetti fissi su veicoli più grandi, è stata inventata una combinazione di due morsetti flottanti, che consente di ottenere una forza di pressatura sufficiente anche nel caso di autocarri leggeri.

Materiali dei freni

Quanto puoi caricare il disco/pastiglie del freno e per quanto tempo possiamo farlo dipende dai materiali con cui sono realizzati questi elementi. In generale, la pinza e il disco sono quasi sempre realizzati in acciaio, con le pastiglie la scelta dei materiali è leggermente più ampia.

I produttori ovviamente non rivelano mai la composizione dettagliata, ma i parametri di base sono noti: il materiale di attrito che viene a contatto con il disco è costituito da una miscela di leganti (es. resina), cariche (es. ossido di ferro), lubrificanti (es. grafite) e metalli (es. tessuto d’acciaio). Oggi non tutti i dischi sono in acciaio, ce ne sono anche alcuni in materiale ceramico.

I dischi raffreddano anche i freni. Questa funzione è svolta da fori e scanalature praticati su di essi, o incavi praticati nel disco, grazie ai quali possiamo ottenere un raffreddamento con un’efficienza fino al 20-30%.

Non possiamo dimenticare i dischi freno carboceramici, caratterizzati da una durata eccezionale, anche se questo non è il loro unico vantaggio. Nelle corse, il peso del veicolo è fondamentale, quindi si sta facendo di tutto per ridurlo. Il set completo di pinze dei freni sulle attuali vetture di Formula 1 non pesa più di 6 chilogrammi: in acciaio peserebbe tre volte tanto.

È anche vero che il disco in carboceramica può sopportare carichi termici molto meglio dell’acciaio e quindi la sua maggiore durata.

Auto elettriche e sistemi frenanti

Con il proliferare delle auto ibride ed elettriche, è diventato possibile recuperare parte dell’energia cinetica generata in frenata e che può essere restituita alla batteria.

Questo recupero ha consentito una protezione molto migliore dell’impianto frenante, garantendo così intervalli di sostituzione delle pastiglie e dei dischi dei freni significativamente più lunghi.

Una delle attuali carenze dei veicoli elettrici a batteria (BEV) è il loro peso: a volte pesano centinaia di chilogrammi in più rispetto ai loro omologhi con motore a combustione interna. Potremmo giungere alla conclusione che queste vetture richiedono freni più potenti, ma l’assistenza alla frenata recuperativa compensa ampiamente questo svantaggio.

Va inoltre notato che, nonostante quanto sopra, i produttori tendono ad adattare di conseguenza i freni alle auto elettriche, quindi i clienti solitamente percepiscono prestazioni di frenata maggiori rispetto all’esperienza precedente.

Guardando al futuro, la popolarità dei freni elettrici è quasi indiscutibile, per via della maggiore elettrificazione da un lato e della molto più facile programmabilità dei semoventi e dei sistemi di assistenza alla guida dall’altro.

Spesso l’argomento a favore di questo sistema è che è più facile da usare, perché non sono più necessari liquido dei freni, attuatori e altri elementi che facevano parte dell’impianto idraulico. Va detto qui che questo non è vero in quanto le auto di oggi dotate di un sistema di freno elettrico hanno ancora un freno idraulico come protezione ridondante in caso di guasto elettrico del veicolo.