TECNICA - Evoluzione dei freni: dall’incremento prestazionale alla riduzione del peso

Le automobili nell’ultimo mezzo secolo sono molto cambiate. A colpo d’occhio, anche distratto, balzano le dimensioni. Le vetture sono diventate sempre più grandi per venire incontro alle nuove esigenze dei consumatori, comfort e sicurezza su tutte. L’aumento di cubatura interna dell’abitacolo ed i maggior ingombri esterni portano negative conseguenze sulla bilancia. A questo si sommano, sia numericamente che in termini di peso, la maggior quantità di accessori che equipaggiano le auto. Airbag, barre anti-intrusione nelle portiere e dispositivi elettronici hanno permesso di raggiungere livelli di sicurezza inavvicinabili lo scorso secolo ma si pagano in termini di maggior massa da trasportare. Grazie alla consistente crescita delle potenze, la maggior massa spesso viaggia a velocità più alte.
L’energia cinetica di un corpo è data dal rapporto tra la massa e la velocità (al quadrato) del corpo stesso.  Ovviamente è emersa la necessità di impianti frenanti più performanti in grado di dissipare l’energia cinetica ovvero il calore che si sviluppa durante la frenata.Temi di estrema attualità, ma anche del futuro, sono la sicurezza e l’ecologia. Vediamo come l’elemento principe della sicurezza, l’impianto frenante, possa influire con adeguate scelte tecniche anche sull’ecologia.

Uno degli obiettivi in termini di ecologia è la riduzione di emissione di anidride carbonica. Per ridurre la CO₂ immessa nell'atmosfera è necessario ridurre i consumi. Oltre a essere condizionati dal tipo di motore utilizzato, i consumi dipendono fortemente dall’aerodinamica e dal peso del veicolo ed è per questo che per ridurre il peso si agisce anche sull’impianto frenante. Il sistema è principalmente composto da dischi, pastiglie e pinze freno. Ridurre il peso dei dischi, oltre a portare benefici sui consumi, influenza positivamente anche la dinamica di guida essendo i dischi masse rotanti.
L’utilizzo di dischi composti, ossia con materiale differente per campana e fascia frenante, permette un risparmio in peso di circa il 15% rispetto al disco interamente in ghisa. BMW utilizza fascia frenante in ghisa accoppiata meccanicamente con dei perni in acciaio alla campana in alluminio. Scelta diversa per Mercedes che preferisce l’utilizzo di una campana in acciaio accoppiata per interferenza alla fascia in ghisa.

Altro processo utilizzato per risparmiare peso, circa 15%, è il processo di co-fusione di due materiali. Le applicazioni per Mercedes rimangono ‘fedeli’ alla scelta originaria, ghisa e acciaio, anche per l’aftermarket. Soluzione che salvaguardia prestazioni ed estetica. Brembo inoltre sta sviluppando una soluzione con fusione, definita eco-cast, di ghisa e alluminio anche se non è stata ancora commercializzata.

La medesima coppia di materiale è stata utilizzata anche per la prima generazioni di dischi dual-cast che sempre tramite un processo di fusione consentono un risparmio di peso del 20%. Il sistema è inoltre caratterizzato da una maggior elasticità che permette di ridurre le deformazioni della fascia frenante ad alto contenuto di carbonio, sottoposta ad elevati stress meccanici-termici. I dischi di seconda generazione presentano un diverso posizionamento dei perni di collegamento tra fascia e campana con migliore ventilazione del disco e maggiore capacità di smaltimento del calore e resistenza alle cricche termiche.

Una buona elasticità del sistema è garantita anche dai dischi flottanti in cui la fascia con elevata percentuale di carbonio è connessa meccanicamente tramite bussole alla campana in alluminio.
Dischi composti da fascia in acciaio inossidabile e campana in acciaio hanno la peculiarità di ridurre lo spessore e quindi il peso sfruttando le proprietà meccaniche e chimiche dell’acciaio. La riduzione di peso è consistente circa il 30% e la fascia in acciaio resiste a temperature di lavoro di 600°C. Per soddisfare le tolleranze richieste il disco, dopo l’assemblaggio delle due parti, viene sottoposto a rettifica finale.
Soluzione alternativa e molto interessante in termini di risparmio di peso è la realizzazione di un disco integralmente in alluminio. L’alluminio consente una riduzione della massa complessiva di circa il 40% rispetto alla ghisa ma richiede l’utilizzo di pastiglie specifiche e presta il fianco a criticità termiche quando la temperatura raggiunge i 400°C.

I dischi con fascia frenante in materiale carbo-ceramico permettono un risparmio di peso fino al 50%. Tecnologia riservata a macchine sportive di alto livello per il loro consistente costo. Le performance in frenata migliorano a grazie ad un elevato coefficiente d’attrito e ad una ottima resistenza ad alta temperatura, 1000°C, che consente di ridurre le deformazioni a causa di stress termico. Altro vantaggio è l’elevata durata, Brembo dichiara fino a duecentomila km.   

Futuro: processi 'dimagranti' ed 'ecologici' per pinze e pastiglie  

La riduzione del peso complessivo dell’impianto frenante influenza determina anche nuove scelte e tecnologie nella produzione di pinze più leggere. Brembo utilizza il processo tecnologico definito semi-solid metalforming che permette di realizzare le pinze con alluminio secondario, ossia proveniente da alluminio riciclato, piuttosto che da alluminio primario ossia puro. Il primo scopo, ecologico, è piuttosto intuitivo grazie al processo di riciclaggio della materia prima. Il secondo, per certi versi inaspettato, è il miglioramento delle caratteristiche meccaniche e quindi minor peso potendo utilizzare spessori ridotti a parità di resistenza meccanica del componente. Per ottenere questi miglioramenti, l’alluminio secondario viene fuso a 650°C invece dei 740°C solitamente utilizzati. La minor temperatura raggiunta nel processo di fusione, permette al metallo di essere in uno stato semi-solido evitando la formazione di impurità. Brembo sta implementando questa tecnologia per arrivare a ridurre il peso della pinza di circa l’8%.Rispetto a dischi e pinze freno, le pastiglie rappresentano la quota parte minore del peso complessivo del sistema frenante. Nonostante ciò Brembo, con il Progetto Lybra, ha deciso di investire anche in questo componente. Nello specifico si è sostituita la piastrina metallica che sorregge il materiale d’attrito con una piastrina in fibra di vetro. Il processo produttivo di stampaggio della struttura con il materiale d’attrito è molto diverso da quelle delle normali pastiglie. La riduzione di peso della pastiglia è di circa il 30%. A questo vantaggio, si somma la riduzione della conducibilità termica, riducendo quindi la trasmissione del calore generato in frenata. Inoltre l’adozione della fibra di vetro, in luogo dell’allumino, ha eliminato il problema della corrosione. Questa soluzione è spesso adottata su auto elettriche dove la frenata rigenerativa comporta un minore utilizzo dell’impianto frenante meccanico, con il raggiungimento di temperature inferiori e minore usura.

L’attenzione per l’ambiente non si ferma solamente alla riduzione del peso ma impone una limitazione anche nel rilascio delle polveri sottili prodotte dallo sfregamento tra disco e materiale d’attrito della pastiglia. Il rame e altri metalli che si depositano sulle strade risultano tossici per alcuni microorganismi acquatici. Per questo, nel 2010 sia lo Stato della California e di Washington hanno promulgato una legislazione che prevede livelli ridotti di rame e altri metalli pesanti nelle pastiglie dei freni vendute o installate in entrambi gli Stati. Sono stati previste 3 diverse categorie di contenuto di metalli pericolosi e a partire dal 2025 potranno essere vendute solo pastiglie di livello N, ovvero con una percentuale di rame inferiore allo 0,5% del totale del peso del materiale di attrito.  Brembo per ridurre le polveri prodotte dai freni, in collaborazione con altre realtà, partecipa al Progetto Cobra che prevede di sostituire le tradizionali resine fenoliche utilizzate nelle pastiglie con un materiale di base cementizia. Le resine fenoliche sono costituite da polveri molto volatili e quindi pericolose per l’essere umano in quanto possono facilmente entrare nelle vie respiratorie. I nuovi materiali cementizi devono garantire prestazioni equivalenti ai materiali tradizionali, soddisfacendo gli elevati standard di performance richiesti anche dalle più severe applicazioni sportive, ma riducendo le emissioni di polveri sottili e l'impatto ambientale.  Il nuovo processo, oltre a ridurre le polveri sottili in frenata, permette di ridurre l'energia durante la produzione nonché i consumi di acqua.

Fonte: bremboparts.com