Freno a disco

Vi starete sicuramente chiedendo, esperti e non, appassionati della meccanica e del fai da te, che chissà quante volte avrete letto articoli, visto o addirittura toccato con mano questo importantissimo ed indispensabile organo meccanico, quale sia la necessità di scrivere un ulteriore articolo su di un argomento così ampiamente conosciuto! Risponderò alla vostra domanda con un’ulteriore domanda “scusate il gioco di parole!”

Siete a conoscenza dele origini del freno a disco, delle sue evoluzioni nel corso dei decenni, in special modo, di quello ad uso motociclistico, o di come, esso, oggi venga realizzato? Bene, se gli argomenti trattati sono di Vostro interesse, sedetevi  comodi e leggete questo articolo proposto dal Team MotoStudent “SIC-Stretto In Carena

Gli Inizi (1902-1962)

Il freno a disco, fu brevettato nel lontano 1902, dall’ingegnere britannico Frederick Willian Lanchester.

Tale impianto frenante, nonostante da subito, si rivelò essere molto più valido del freno a tamburo, sia per le superiori capacità frenanti, sia per la semplicità meccanica, bisognerà attendere ben sessant’anni, prima che venga impiegato su un mezzo a due ruote di serie. Ebbene sì, solo nel 1962, l’italianissima Innocenti, immise sul mercato i primi mezzi a due ruote, equipaggiati con un primordiale freno a disco, ovvero la Lambretta TV175 e la sorella maggiore TV200. Per la produzione di tale impianto frenante, si affidarono ad un’altra azienda italiana, la Campagnolo (conosciuta in tutto il mondo per la produzione di componenti per biciclette, che negli anni ’50, ’60 e ’70 collaborò con diverse industrie italiane del settore motoristico).

Il freno a disco, in questione, come visibile nella foto in basso, è caratterizzato da:

  1. Un carter composto da due semigusci, quello interno [a] collegato mediante viti alla ruota, quello esterno [b], vincolato, mediante prigioniero [g], alla forcella. Inoltre, il carter ha molteplici funzioni: una pratica perchè protegge tutto il sistema da eventuali impurità, mentre quella strutturale, perchè vi è ricavata la sede del pattino [c], del quale spiegherò il funzionamento dopo.
  2. Un disco metallico [d] vincolato al carter [a] mediante viti.

 

Il disco collegato al carter [a], che è a sua volta collegato al cerchio, è libero di ruotare insieme alla ruota intorno al mozzo [f]. Nel momento in cui si decide di decelerare il complesso, agendo su un comando a leva, collegato tramite cavo metallico al leveraggio [e], sarà possibile azionare i pattini [c]. Quest’ultimi, andranno ad esercitare una forza sul disco, proporzionale a quella esercitata sul comando a leva, che per via dell’attrito generato dallo strofinio dei due componenti (disco e pattino), andranno a rallentare il complesso ruota, fino a fermarlo del tutto.

L’evoluzione

Nonostante, l’Innocenti, diede il via all’impiego dei freni a disco sui mezzi a due ruote, necessiterà di attendere ancora qualche anno prima che, tale sistema, venga adottato anche dalle altre case produttrici presenti sul mercato.

La prima di esse fu l’Honda, con la CB 750 Four, che debuttò nel 1969.

L’impianto frenante progettato dall’Honda, rispetto a quello dell’Innocenti, presenta numerose innovazioni e miglioramenti, presi in prestito, anche, dal mondo automobilistico.

Basta dare una fugace occhiata alla foto, posta a sinistra per notare subito che a differenza dell’impianto utilizzato sulla Lambretta, il disco non è più coperto da quei due semigusci. Adesso, i cilindretti che vanno a comprimere i pattini (detti anche pastiglie) contro la superficie del disco, sono contenuti in un apposito componente, chiamato “Pinza Freno”. Si rese necessaria questa modifica, perchè, con il precedente sistema, il disco non riusciva a dissipare il calore generato dallo strofinio dello stesso contro la superficie delle pastiglie. Altra innovazione aggiunta, non facilmente riscontrabile dall’osservazione dell’immagine, riguarda il sistema di attivazione dell’impianto. Il comando a leva, non sarà più collegato ai cilindretti mediante cavo metallico, bensì mediante un fluido altamente viscoso, quindi il sistema non sarà più del tipo meccanico, ma di tipo idraulico.

 

Quindi, quando il conducente avrà la necessità di decelerare o arrestare il mezzo, azionerà la leva tirandola (vedi foto 1), così facendo, interagirà su di un “pistoncino” collegato da un lato alla leva e dall’altro al serbatoio del fluido freni (contenitore di forma cilindrica e di colore nero posto alla sinistra della leva), il quale, a sua volta, per mezzo di tubature è collegato alla pinza freno. Il fluido freni presente nel circuito subirà, dunque, una compressione, pertanto maggiore sarà la forza applicata alla leva, maggiore sarà la pressione che il fluido eserciterà sui cilindretti e quindi sulle pastiglie che andranno a pinzare il disco.

 

Questo nuovo tipo di impianto frenante proposto dalla Honda, presentava però un importate problema di affidabilità! In caso di pioggia, il disco essendo esposto all’acqua perdeva di efficienza, poiché quest’ultima andandosi a interporre tra la superficie del disco e quello della pastiglia generava un leggero film, causando così, una drastica riduzione di attrito tra i due materiali in contatto, limitando così la capacità frenante dell’intero impianto!

Per ovviare al problema, l’Honda stessa fece un passo indietro e introduse “l’Inboard Disc”. Tale sistema era molto simile a quello adottato dall’Innocenti, tranne che per l’impiego dell’impianto di tipo idraulico. Esso è quindi caratterizzato dalla presenza di due carter che coprono e proteggono il disco e le pastiglie.

Questa soluzione risolvette il problema dell’inefficienza della frenata in condizioni di bagnato, ma fu la causa di un ulteriore problema, il surriscaldamento!

Nel 1980, l’Honda, per risolvere quest’altro inconveniente, ispirandosi sempre al mondo automobilistico sostituì il semplice disco pieno con uno nuovo auto-ventilante ( dischi costituiti da due fasce frenanti separate e saldate a raggiera, che permettono il passaggio d’aria al loro interno, migliorando così lo scambio termico). La prima moto a montare “l’Inboard Disc” con disco auto-ventilante fu l’Honda CBX550, questo nuovo disco, in parte riuscì a risolvere il problema del surriscaldamento, ma i costi di produzione, dovuti al processo di microfusione a cera persa, erano troppo elevati, quindi anche questo progetto venne messo da parte.

La soluzione al problema del surriscaldamento e dell’efficienza sul bagnato, verrà risolta a partire dalla metà degli anni ’80, quando sarà introdotto il disco forato, che non necessita più dell’impiego di carter, poiché l’introduzione delle forature, oltre a permettere l’interruzione del film d’acqua in caso di bagnato, permette anche una migliore ventilazione della superficie del disco a vantaggio della dissipazione del calore. I fori praticati, oltre a questo, servono anche a rigenerare la superficie delle pastiglie da possibili fenomeni di cristallizzazione, dovuti all’effetto di notevoli incrementi di temperatura, generate in casi di azioni frenanti molto intense.

Dal 1980 ad oggi sono state apportate innumerevoli innovazioni tecniche sia al disco, che alla pinza freno, che per praticità verranno elencate e discusse separatamente nei prossimi paragrafi.

Disco Freno

I dischi freno possono essere classificati in funzione del :

  • Materiale: ghisa, acciaio, carbon-carbon
  • Forma: pieno, forato, auto-ventilante, wave o margherita
  • Tipo d’impianto: integrale, flottante

Il freno a disco in ghisa, fu il primo tipo ad essere impiegato, però presentava diversi inconvenienti quali: difficoltà nello smaltimento di calore, inefficienza sul bagnato e pesantezza. Per evitare di incappare in facili rotture, date le scarse caratteristiche meccaniche del materiale, il disco, infatti, era caratterizzato da un generoso spessore. In seguito venne introdotto il disco in acciaio, largamente usato tutt’oggi, poiché esso risulta essere molto più prestazionale per resistenza e leggerezza, rispetto ai precedenti in ghisa. Un’altro materiale con cui si può realizzare il disco, è il carbonio. L’impiego di esse è però circoscritto al solo uso sportivo, per due fondamentali motivi: le temperature di esercizio e gli elevatissimi costi di produzione. I dischi necessitano di funzionare a così alte temperature, perchè l’azione frenante è dovuta alle “microsaldature” che vengono a generarsi tra la pista del disco e i pattini, e perché ciò avvenga, l’impianto, deve raggiungere un range di temperature che si attesta intorno ai 200°C-800°C. Il vantaggio di questo disco è quello di pesare notevolmente meno rispetto ad uno corrispettivo in acciaio, tutto ciò a beneficio del peso complessivo della motocicletta e delle masse non sospese della ruota, conferendo così al mezzo una migliore maneggevolezza.

Come accennato precedentemente, la forma dei dischi può essere di tipo pieno, auto-ventilato e forato. Ma a partire dal 1998, la Braking (ditta italiana) produttrice di impianti frenanti per moto, ha introdotto un nuovo tipo di dischi “wave” o “margherita”. Questa tipologia di disco, è caratterizzata da un design non tondo della circonferenza esterna ed interna del disco, ma che permette una migliore espansione radiale di quest’ultimo, in condizione di calore estremo.

L’impianto a disco di tipo integrale, [5] è caratterizzato da dischi che sono montati in maniera solida al mozzo della ruota ; mentre gli impianti di tipo flottante [6], hanno la caratteristica di avere la fascia frenante libera di muoversi in maniera radiale rispetto al mozzo, cioè la fascia frenante è vincolata in maniera non rigida attraverso delle bussole cilindriche alla struttura fissata sul mozzo. Questo permette, in caso di leggera deformazione della pista del disco dovuta al calore, di riallineare quest’ultima tra le pastiglie, quindi questo disco avrà un limite di resistenza agli sforzi, maggiore rispetto ad un disco di pari caratteristiche non flottante.

Pinza Freno

 Le pinze freno possono essere classificate in funzione del :

  • Tipo: fissa, flottante
  • Struttura: blocchi, monoblocco
  • Tipo di collegamento: tradizionale o trasversale, radiale

 

La pinza di tipo flottante, deve il nome al suo caratteristico tipo di fissaggio, che le consente uno slittamento laterale rispetto al disco. Tramite questo sistema è stato possibile semplificare notevolmente la struttura della pinza, infatti (vedi foto 8) è possibile notare la presenza dei cilindretti solo su di un lato, nonostante continuino ad esserci due pastiglie. Questo perché, la pinza è montata su perni guida che si muovono liberamente in senso longitudinale su apposite boccole. La pressione idraulica dietro al pistone spinge la pastiglia freno interna contro il disco. Contemporaneamente, il disco spinge il lato interno della pinza nella direzione opposta. Ciò fa sì che il lato esterno della pinza e la pastiglia esterna siano spinti verso il disco (vedi foto 9, guardare da sinistra verso destra). Ottenendo così una riduzione degli organi di cui la pinza è composta, e di conseguenza una riduzione dei costi di produzione e del peso complessivo dell’elemento.

 

La pinza di tipo fisso, a differenza di quella flottante, è vincolata alla struttura portante senza avere alcuna possibilità di movimento e utilizza un minimo di due cilindretti opposti, inoltre è quasi sempre abbinata a dischi flottanti.

 

Le pinze freno a blocchi (foto 11), si chiamano così perché formate da due metà unite insieme da viti, per questo motivo esse sono meno rigide rispetto alle pinze freno monoblocco (foto 12), che come si evince dal nome, sono formate da un unico blocco. Per i motivi sovra citati, le pinze a blocchi sono meno prestazionali di quelle monoblocco, ma al contempo sono più facili e meno costose da produrre.

Le pinze possono essere collegate alla struttura in modo tradizionale e radiale. La pinza freno tradizionale, è fissata trasversalmente ad una staffa solidale alla struttura.  In tale sistema la staffa è fissata alla pinza solo nel punto superiore prossimo alla forcella, mentre il punto inferiore rimane libero, questo perché l’ancoraggio superiore consente di opporre la massima resistenza possibile al momento torcente (da cui derivano i benefici della frenata), visto che è preferibile lavorare in condizioni di compressione e non di trazione o torsione delle strutture.

Invece la pinza ad attacco radiale, prende il nome dalla disposizione del sistema di ancoraggio a forcella, che è radiale rispetto al mozzo. Meccanicamente, l’accoppiamento radiale, consente una maggiore rigidezza della pinza, che seguendo nella fase di movimento la rotazione del disco, è soggetta a minor stress meccanico, e pertanto a minori deformazioni. Inoltre essendo priva di ogni sorta di vincolo trasversale, la pinza si adatta meglio alle piccole oscillazioni del disco di rotazione, consentendo così alle pastiglie di occupare la massima superficie utile sul disco.

Pastiglie Freno

Le pastiglie freno sono costituite da:

*una base metallica [4], che funge da base per il materiale d’attrito [1], questa trasferisce in modo uniforme la spinta derivata dal pistone della pinza freno, verso il disco;

*un underlayer [2], posto tra il supporto metallico ed il materiale di frizione, ed ha lo scopo di migliorare la resistenza meccanica, la riduzione delle vibrazioni ed inoltre funge da barriera al trasferimento del calore.

A seconda delle proprietà e della composizione del materiale d’attrito, si può privilegiare l’efficienza o la durata delle pastiglie. Per garantire però, un giusto compromesso tra l’efficienza e durata, le pastiglie dovrebbero avere un coefficiente di frizione intorno a 0,40-0,45.

Processo Produttivo

Il processo produttivo, ha inizio dalla progettazione e dalla realizzazione dei modelli in 3D, mediante l’impiego di specifici software-CAD, acronimo di Computer-Aided Design, cioè “progettazione assistita dall’elaboratore” ( esempi di modelli 3D realizzati con l’ausilio di tali software, sono apprezabili nelle foto 7-10-11); dopo la realizzazione dei disegni costruttivi, si procede, con i software-CAE (Computer Aided Engineering), all’effettuazione dei calcoli, quali: analisi statiche, dinamiche e strutturali.

La fase successiva prevede la lavorazione meccanica, anche in questo caso si ricorre all’uso di un software “CAM”, esso è l’acronimo dell’espressione inglese “Computer-Aided Manufacturing (produzione assistita da computer). Tale programma, dopo aver analizzato il modello geometrico virtuale (bidimensionale o tridimensionale), impartisce alla macchina a controllo numerico computerizzato “CNC” (foto 16) un percorso utensile. Terminate le operazioni di lavorazione meccanica, nel caso specifico del processo produttivo dei dischi freno in acciaio, prima del trattamento superficiale DSP “Disc Surface Protection”, volto a proteggere i dischi dalla corrosione (ruggine) e mantenere le caratteristiche funzionali integre nel tempo, si renderà a volte necessario effettuare un trattamento termico, che consiste in una fase di riscaldamento ad una temperatura di circa 1.000°C per un dato tempo e poi una fase di raffreddamento, il tutto avviene in atmosfera controllata, in azoto. A questo punto viene controllata la durezza e infine la tolleranza di planarità e parallelismo.

Nel caso dei dischi freno di tipo “Carbon-Carbon”, il primo step del processo produttivo consiste nella produzione di parti di fibra di carbonio, usando un processo che si chiama infiltrazione di vapori di carbone, durante il quale le parti di fibra di carbonio vengono cotte in un forno ad alta temperatura per un tempo che va da tre a sei mesi. Durante questo trattamento prolungato, la matrice di grafite (carbone) viene depositata sopra ed intorno le fibre, creando quindi un disco molto solito. Una volta usciti dal forno vengono lavorati come se fossero un normale componente in acciaio con le macchine utensili computerizzate (CNC).

 

 

Articolo e Immagini CAD a cura di Claudio Agati                                                                                                8-12-2017

2 Comments on “Freno a disco”

  1. Dimmi come scrivi e ti dirò come pensi
    Il passato remoto del verbo “risolvere” è “risolse”, non risolvette!!!!

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *