I Freni parte 3 | I freni a disco composizione e materiali

Abbiamo parlato nelle due trattazione precedenti dell’impianto frenante e della sua composizione, e del freno a tamburo. E’ arrivato il di parlare dell’altra tipologia quella dei freni a disco. Questo tipo di freni sono composti da un disco metallico che gira solidale alla ruota e da una pinza fissa che lo abbraccia. Il fissaggio del disco alla ruota può avvenire sul portamozzo, oppure ci sono soluzioni, usate nel passato recente dall’Alfa Romeo, in cui il disco veniva fissato internamente direttamente sul semiassi all’altezza del differenziale. La pinza freno è composta da due parti dette semipinze all’interno delle quali sono ricavati i cilindri idraulici che spingono i pattini o le pasticche come le si vogliono chiamare a mordere il disco per effetto della pressione sul pedale del freno da parte del conducente assicurando una medesima forza frenante su entrambi i lati del disco. Come abbiamo spiegato nella prima parte e ribadito nella seconda l’attrito che producono i pattini sul disco trasforma l’energia cinetica che accumula il veicolo in forza frenante.

I pattini hanno una superficie definita,  quando vanno a serrare il disco ne occupano solo una parte lasciando la restante a ruotare e quindi essendo investito dall’aria consente di avere un controllo della temperatura e dell’affaticamento nettamente migliore che con i freni a tamburo. Quando si lascia il pedale del freno i pattini tornano indietro per effetto della mancanza di pressione sui pistoncini, questo non avviene in modo istantaneo rimanendo  per qualche secondo ancora a contatto soprattutto nelle condizioni di uso estremo. Uno dei vantaggi di questa condizione è che l’impianto rimane comunque più pronto con lo spazio tra il pattino e il disco ridotto al minimo in un uso intenso e continuativo. Spesso i piloti e collaudatori più esperti sanno che dopo una sessione di pista o stradale intensa,  prima di arrestare il veicolo,  devono fare un pezzo di strada o un giro di pista senza usare i freni per evitare che i freni rimangano con i pattini attaccati ai dischi per effetto del surriscaldamento delle due parti.

Ormai anche su veicoli della fascia bassa del mercato, si istallano dischi freno con un sistema di raffreddamento composto da una serie di feritoie che permette l’ingresso dell’aria e per effetto delle elette interne al disco anche di dissipare il calore. In dischi più performanti sulla superficie esterna hanno la foratura. Il bordo dei  fori serve per raschiare la pastiglia aumentandone la forza frenante, cosa che però comporta una usura precoce, ed inoltre allontanano più velocemente il velo d’acqua che si forma sulla superficie frenante durante la marcia sul bagnato. Questa soluzione è diffusa soprattutto nel campo moto. Nel campo auto invece si usa la baffatura. In pratica si ricavano sul disco dei canali che aiutano a rimuovere il materiale consumato ed i vapori dal pattino freno, in modo da evitare la vetrificazione, un indurimento del materiale del pattino che ne riduce l’attrito migliorando la forza frenante ma coma la foratura riduce in modo netto la durata del pattino.

Come tutte le innovazioni più importanti per le autovetture per uso stradale, si è partiti dalla sperimentazione in Formula 1 ed i freni a disco non hanno fatto eccezione. Per uso stradale oggi si usano dischi freno di vario tipo di materiale come la ghisa, con una composizione con un tenore di carbonio variabile a seconda della destinazione di uso e della tipologia di veicolo a cui è destinato il disco.  Nel campo moto si usa di rado al giorno d’oggi per il fatto che il ridotto spessore dei dischi potrebbe portare a crepe e rotture sotto stress. Al posto della ghisa si può usare l’acciaio  dove la lega di carbonio viene legata con altri materiali per cambiarne le caratteristiche di base a seconda dell’utilizzo e del veicolo a cui è destinato. I dischi in acciaio con basse percentuali di altri materiali nella lega hanno necessità di un trattamento protettivo di zincatura per evitare di fare ruggine quando non usati. Ci sono invece dischi in acciaio con un alta percentuale di cromo molto usati per le moto per la capacità di non arrugginire quando non vengono usati.

Le vetture moderne più prestazionali, le supercar per intenderci usano materiali per i dischi freno in Carbo-Ceramica. Ogni grande costruttore usa i suoi acronimi per identificarli e di solito vengono offerti in opzione recentemente anche per modelli di vetture più accessibili.  Il disco in carbo-ceramica hanno una lega di Carburo di Silicio, con una struttura simile ai dischi in carbonio con le superfici caricate con silice. Questo consente ti avere un disco leggero come quello in carbonio pur conservando una superficie durissima che un migliore lavoro frenante da parte dei pattini anch’essi  in materiale carbo-composito. Questo materiale migliora di netto il coefficiente di attrito riducendo drasticamente l’affaticamento.

Infine soprattutto nelle competizioni ad ogni livello ormai, ci sono i dischi in Carbonio.  Il motivo per cui non vengono utilizzati per uso stradale, sta nel fatto che per avere una efficienza nella forza frenante il disco deve avere temperature di esercizio molto alte, condizioni che si possono garantire con un uso intenso in gara, ma non per un uso stradale. L’uso del carbonio infatti garantisce un coefficiente di attrito maggiore all’aumentare della temperatura. La frenata avviene per la fusione delle pastiglie sul disco i cui pezzi di giunzione vengono letteralmente strappati durante la frenata.  Basta guardare una gara di Formula 1 per vedere nuvole nere intense in condizioni di frenata al limite, o la polvere di carbonio che si solleva quando le pistole pneumatiche vanno ad intervenire sulla gomma in fase di cambio pneumatici.  I freni con dischi in carbonio possono garantire forze frenanti con potenze maggiori di 3000cv, per lo sviluppo fino a 6G nella frenata che una Formula 1 effettua alla prima variante di Monza quando passa da 360m/h a quasi zero per effettuare la variante, il tutto per più di 50 giri. Nella prossima trattazione parleremo di pinze, pattini e di tutti i difetti che presenta un impianto frenante a disco e come provare a prevenirli.

Daniele Amore