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Brembo Dyadema: il gioiello ventilato ideato per le supercars fino a mille CV

La pinza freno monoblocco, dell’azienda bergamasca, specifica per le vetture ad altissime prestazioni. Nell’articolo i dettagli dell’inedito sistema di canalizzazione dei flussi, i vantaggi prestazionali rispetto ad una pinza standard e cenni alla fisica che governa il fenomeno della convezione.

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La cura dei flussi aerodinamici è uno dei parametri su cui intervenire per migliorare ed ottimizzare le performance di una vettura. Negli ultimi anni, l’attenzione nella progettazione aerodinamica è diventata sempre più esasperata estendendosi in maniera importante anche sul prodotto di serie. Oltre all’applicazione di spoiler ed estrattori su vetture sportive non esasperate, le supercar continuano a rappresentare comunque il terreno più fertile per trasportare su strada elementi dal mondo racing e poter osare di più. In questa ottica, Brembo ha progettato la sua pinza freno specializzata per vetture in grado di erogare fino a 1000 CV di potenza e quindi con prestazioni esaltanti. L’aumento delle performance è ultimamente accompagnato anche da un aggravio di peso. E’ vero che da una parte i costruttori investono in ricerca e sviluppo per un utilizzo esteso di materiali leggeri o altri accorgimenti per limitare il peso, ma lo è altrettanto che la maggior dotazione di serie e la maggior sicurezza offerta dalla scocca in caso di urto influenzano negativamente la massa totale del veicolo. Ovviamente, oltre alla prestazione pura, è ugualmente importante anche la sua costanza nel tempo, soprattutto su vetture sportive che vengono spesso sfruttate anche in pista. Per rispondere ad entrambe le esigenze, aumento di peso e di prestazioni, l’azienda bergamasca ha incentrato lo sviluppo di Dyadema attorno allo smaltimento del calore. Il ‘gioiello’ come viene definito dalla stessa Brembo è una pinza monoblocco a sei pistoni in alluminio. L’innovativa tecnologia utilizzata è il sistema di raffreddamento realizzato direttamente nella fase di fusione del materiale. La pinza integra uno specifico condotto di raffreddamento aumenta il flusso d'aria intorno alle pastiglie dei freni e, grazie a questa ventilazione forzata, funziona a temperature più basse garantendo prestazioni migliori e più costanti.

 

GIOCO DI SQUADRA NELLA PROGETTAZIONE

L’idea alla base di Dyadema è quella di realizzare una pinza freno che raccolga i flussi d’aria all’interno del lato ruota della vettura, indirizzandoli efficacemente in modo da contenere la temperatura massima del fluido freni. Quando infatti quest’ultimo raggiunge temperature eccessive si formano al suo interno bolle di vapore dovute all’ebollizione del fluido freni. Questo fenomeno, noto come Vapour Lock, determina un allungamento della corsa del pedale e diminuisce quindi l’efficacia frenante ritardando la frenata. Tuttavia siccome ogni vettura è caratterizzata da una specifica dinamica dei flussi d’aria, sia all’esterno della vettura sia all’interno del lato ruota, la progettazione della prima estrinsecazione del concetto Dyadema in una pinza freno finita, ha richiesto un lungo e profondo lavoro di collaborazione tra Brembo e uno specifico costruttore di auto sportive. ​  Per la prima volta infatti un’azienda automobilistica e un produttore di impianti frenanti hanno unito le rispettive conoscenze relative ai flussi d’aria all’interno del lato ruota per riuscire a realizzare una pinza freno che fosse in grado di ridurre la temperatura del liquido freni​. Partendo dai valori dei flussi d’aria interni al vano ruota e dall’influenza degli altri elementi non frenanti che si trovano in quell’area (portamozzo, ammortizzatore e bracci), gli ingegneri Brembo hanno elaborato le possibili soluzioni tecniche per arrivare ad una pinza che massimizzasse l’aria in ingresso, ottimizzandone la circolazione all’interno della pinza e favorendone infine l’uscita, in modo da rendere continuo il flusso d’aria. In questo modo la corretta gestione del flusso d'aria raccolto dalla pinza consente a Dyadema di ridurre la temperatura del fluido freni fino al 15% rispetto ad una pinza standard, consentendo al sistema di mantenere la massima efficienza frenante anche nelle più intense sessioni in pista. Grazie allo specifico processo di progettazione, Dyadema rappresenta la pinza freno con la miglior capacità di raffreddamento mai prodotta da Brembo, con conseguente incremento delle prestazioni e riduzione dello spazio di frenata. ​

I VANTAGGI DEL CONVOGLIATORE INTEGRATO NELLA PINZA

La collaborazione tra il fornitore dell’impianto frenante e la casa automobilistica è finalizzata ad ottenere un prodotto di alta gamma e con un design perfettamente integrato nella vettura. La perfetta sinergia, con gli organi meccanici del gruppo ruota della vettura, ha il duplice scopo di ottimizzare le prestazioni senza trascurare l’estetica grazie ad una pulizia stilistica nella realizzazione dei dettagli sempre molto ricercata ed importante in una supercar. Per aumentare lo scambio termico si è scelto di rendere le sedi dei pistoni più pronunciate per aumentare la superficie investita dai flussi d’aria. Le nervature poste nella parte superiore indirizzano efficacemente il flusso.

La presenza del condotto di raffreddamento integrato in fusione all’interno della pinza è una soluzione molto più efficace ed efficiente rispetto ad un analogo convogliatore d’aria realizzato ad hoc e quindi successivamente montato su una pinza tradizionale, soluzione ad oggi saltuariamente utilizzata in alcuni casi. Innanzitutto un convogliatore montato successivamente non beneficerebbe dell’analisi dei flussi d’aria all’interno del lato ruota, questo significa che la portata dell’aria indirizzata sulla pinza potrebbe anche essere scarsa se non intercettata adeguatamente.
Inoltre siccome i convogliatori non integrati si applicano sulla parte superiore della pinza, dove di solito è presente un ponte che serve ad aumentarne la rigidità della pinza stessa, il flusso d’aria sarebbe ostacolato e parzialmente ostruito da alcune parti della pinza stessa. Questo non avviene nel caso della pinza Dyadema, perché il condotto di raffreddamento svolge anche una funzione strutturale oltre a regolare i flussi d’aria. ​I convogliatori non integrati si limitano ad aumentare la portata dell’aria mentre quello definito con la pinza Dyadema tiene conto del percorso del flusso interno per massimizzare il raffreddamento del fluido dei freni.

L’IMPORTAZA DELLA VELOCITA’ E DELLA TEMPERATURA DI FUSIONE

Brembo è riuscita a superare la difficoltà produttiva, della realizzazione di un prodotto per fusione di tale forma e dimensione curando, direttamente all’interno dell’azienda, tutte le fasi produttive dalla fusione alla lavorazione finale. Ovviamente si è fatto ricorso alle pregresse esperienze e conoscenze aziendali in ambito metallurgico maturate anche sui campi di gara. In particolare, la fusione dell’alluminio viene eseguita a 660°C per gravità, ossia senza esercitare nessuna pressione esterna ma solo per caduta libera. La temperatura deve essere tale che il materiale, attraversi lo stampo, prima che si raffreddi. I gradienti termici che si sviluppano durante il processo e la presenza di sezioni sottili necessitano di una elevata velocità del flusso che rischia, a causa della turbolenza, di generare bolle e difetti nel pezzo prodotto. In tal senso è stata richiesta una particolare attenzione per ridurre le turbolenze ed assicurare un prodotto integro, affidabile, leggero e senza difetti di realizzazione. Dyadema va vista più come una filosofia costruttiva, condivisa nella parte progettuale con altre aziende ed esclusiva nella sua realizzazione, che come un mero prodotto. Infatti, la sua caratteristica di doversi adattare ed integrare con elementi strutturali della singola vettura, specialmente nell’intorno del gruppo ruota/sospensione, obbligherà in futuro ad assumere diverse forme in basa alla vettura su cui verrà installata. Anche la semplice variazione del diametro del disco freno potrebbe rendere necessaria una ri-progettazione fluidodinamica del convogliatore con conseguente variazione della forma.

IL FENOMENO FISICO DELLO SCAMBIO TERMICO PER CONVEZIONE

Dopo aver visto tutto l’iter cha ha contraddistinto la pinza Dyadema, dall’idea alla realizzazione, si analizza in maniera più generale il fenomeno fisico dello scambio termico che è alla base del fenomeno del raffreddamento dell’impianto frenante. La trasmissione del calore per convezione tra due corpi può avvenire solamente se almeno uno dei due è un fluido. In questo caso è il flusso d’aria che investe la pinza. In generale la differenza di temperatura tra il corpo ed il fluido genere un flusso termico tra la superficie esterna e le particelle del fluido. Alle variazioni di temperatura corrisponde una variazione di densità determinando un moto verso l’alto del fluido più leggero e più caldo e verso il basso di quello più freddo e pesante. In generale si assiste quindi ad un fenomeno di rimescolamento sia di particelle che di energia. A livello macroscopico un fluido con una temperatura iniziale, dopo aver lambito le pareti del corpo, si allontana, ad una temperatura diversa avendo di fatto asportato una porzione di energia sotto forma di calore.

                          Convezione naturale                                                                                           Convezione forzata

La convezione naturale è definita quando il movimento del fluido avviene solamente per la differenza di densità causata dalla variazione di temperatura. Ed è il principio fisico che si può riscontrare quando avviene acceso il termosifone per riscaldare una stanza. Se invece il moto del fluido avviene tramite l’ausilio di agenti esterni, come pompe o ventilatori, si definisce convezione forzata. Un esempio sono le piccole ventole poste all’interno dei dispositivi elettronici, come quella installa sul processore dei PC. Solitamente l’esperienza mostra che buona parte della differenza di temperatura si localizza nell’intorno della superficie del corpo a contatto del fluido.

Strato limite termico (rosso) a confronto con quello dinamico (verde) per lastra piana

Questo testimonia la presenza di un sottile strato limite, aderente al corpo, il cui spessore dipende dalla viscosità e dalla velocità del fluido. Maggiore sarà la viscosità maggiore sarà l’attrito e quindi le forze di trascinamento tra i vari strati sovrapposti del fluido. In questo modo il flusso avrà un andamento più ordinato detto laminare che è controproducente allo scambio termico contrastando il rimescolamento delle particelle. Di contro, all’aumentare della velocità, lo strato limite diminuisce, il flusso rimescolandosi avrà un andamento turbolento che, favorendo il movimento della massa, aumenta la quantità di calore scambiata. Il fenomeno della convezione può essere descritto come il meccanismo in cui il flusso termico uscente dal corpo a temperatura più alta (nel caso in esame) attraversa prima lo strato limite nel quale c’è trasmissione prevalentemente per conduttività interna e successivamente nella restante parte di massa del fluido caratterizzata da moti convettivi. Con queste precisazione di carattere fisico appare più chiaro come l’intento dei tecnici Brembo sia stata quella di sfruttare la ventilazione forzata attraverso il posizionamento della bocca d’ingresso del convogliatore in controcorrente rispetto al flusso che investe la vettura. In altri termini si è sfruttata la differenza di velocità tra l’aria (che per semplicità si può ipotizzare nulla) e quella di avanzamento del veicolo simulando l’azione meccanica di un ventilatore posto davanti alla pinza.

Strato limite termico all'interno di un condotto

Per definire il flusso termico scambiato per convezione si usa una relazione, all’apparenza semplice, di tipo empirica in cui oltre alla differenza tra le temperature del corpo e del fluido e alla sezione del corpo colpito dal fluido è presente il coefficiente di convezione, solitamente indicato in letteratura con la lettera ‘h’. Dietro la determinazione ‘h’ si nasconde tutta la complessità. Infatti, h non è un coefficiente nel senso stretto del termine. Ossia non è adimensionale e costante bensì dipende da numerose grandezze meccaniche, termiche e geometriche. La complessità del fenomeno difficilmente permette di giungere ad una trattazione teorica completa. Per questo si ricorre all’analisi dimensionale attraverso l’applicazione del Teorema di Buckingham che ha come vantaggio quello di ridurre il numero di varabili necessarie per descrivere la legge del fenomeno in esame e la possibilità di estendere dei risultati sperimentali a fenomeni non ancora sperimentati. Senza entrare nello specifico, il metodo si basa sulla definizioni di quattro parametri adimensionali che al loro interno raggruppano le variabili del sistema. Riferendosi al problema della convezione forzata molto importante è il valore di Reynolds perché, dipendendo dalla velocità del fluido, definisce le caratteristiche del moto. Per valori bassi (inferiori a 1500) il moto è per lo più laminare, per valore più alti (superiori a 3000) si ha un maggior rimescolamento ed il moto diventa turbolento a tutto vantaggio dello scambio termico e quindi nel caso in esame al raffreddamento dell’impianto frenante. Sulla base di quanto detto è intuibile come il miglior scambio termico si abbia nel caso di convezione forzata e moto turbolento.

Strato limite dinamico in condizioni di moto laminare e turbolento 

Fonte figure: didattica-2000.archived.uniroma2.it/ 

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