Articoli | 01 Marzo 2001 | Autore: Romano Biolchini e Giancarlo Bernardi

L'IMPIANTO FRENANTE Tecnica costruttiva

Pinze speciali per freni a disco d'autore - Freni a tamburo e ganasce - Impianto idraulico, pompe e cilindretti - Il servofreno.

Nella prima parte di questa approfondita disamina sull'impianto frenante delle automobili, pubblicata su Notiziario Motoristico del mese scorso, abbiamo preso in considerazione i problemi tecnici riguardanti i freni a disco avvalendoci dell'esperienza di un esperto di grande valore qual è Gianni Taroni responsabile della TAR-OX di Osnago (LC). Anche per questa puntata siamo stati assistiti da Taroni, che ci ha consentito di entrare nei particolari più segreti della sua produzione altamente specializzata nel delicato settore dei freni. In questa seconda parte ci occuperemo prevalentemente delle pinze dei freni a disco, dei freni a tamburo, e delle novità che la TAR-OX ha ideato per assicurare agli automobilisti la massima affidabilità in fatto di sicurezza attiva.

Le pinze
La pinza del freno a disco può essere fissa o flottante. Nel primo caso è fissata rigidamente con viti o bulloni a un supporto posto sul montante della sospensione, nel secondo caso, grazie alla pressione che riceve dalla pompa maestra, la pinza scorre assialmente su una staffa fino a fare intervenire le pastiglie su entrambe le superfici del disco. Il disco, solidale alla ruota attraverso il mozzo o il semiasse, gira passando fra le due pastiglie alloggiate nella pinza, a una distanza di circa 0,2mm. Quando la pinza riceve il fluido in pressione, i pistoni della medesima si spostano e spingono le pastiglie sul disco con una forza proporzionale a quella esercitata dal conducente sul pedale del freno. L'attrito fra le pastiglie e il disco genera una coppia frenante e quindi una forza che rallenta o arresta l'autoveicolo. L'energia posseduta dal veicolo in movimento, viene trasformata dall'attrito in calore, la cui quantità è tanto maggiore quanto più è pesante e veloce l'autovettura all'atto della frenata. In caso di frenature in successione frequente, a elevate velocità o su lunghi percorsi in discesa, l'efficacia dei freni non deve diminuire, pertanto questi devono soddisfare tre requisiti essenziali: - buona resistenza termica; - ventilazione sufficiente per dissipare il calore prodotto; - costanza delle caratteristiche di attrito delle pastiglie freni in un ampio campo di temperature. Rispetto ai freni a tamburo i freni a disco presentano maggiori vantaggi in tutti e tre i punti. Freni a pinza fissa
Le due semiscatole di un freno a pinza fissa (impianti di frenatura Bosch) contengono ognuna uno o più pistoncini, contenuti nei relativi cilindretti, che vengono sottoposti a una pressione idraulica nel corso della frenata. I pistoncini premono con uguale forza sulle pastiglie da entrambi i lati del disco così come avviene con il dispositivo di frenatura della ruota di una bicicletta. Terminata la fase di frenatura, i pistoncini, quindi le pastiglie, a causa della reazione elastica prodotta dagli anelli di tenuta, si staccano dalle superfici dei dischi di circa 0,2mm liberando le ruote dalla morsa del freno. Grazie alla loro elevata resistenza meccanica, i freni a pinza fissa, generalmente vengono montati preferibilmente su autovetture pesanti e veloci. Come abbiamo accennato, le pinze fisse sono costituite da due semiscatole, generalmente in lega leggera, sulle quali vengono ricavati i cilindretti dove trovano sede gli anelli di tenuta e i pistoncini con le relative cuffie parapolvere. Nelle auto di serie con pinze fisse normalmente vengono montate pinze dotate di un pistoncino per ogni semiscatola, nelle auto sportive invece i pistoncini possono essere due per ogni semiscatola. Nel campo delle gare automobilistiche di elevato livello, le semiscatole delle pinze possono essere dotate di tre, quattro e anche cinque pistoncini per ogni semiscatola, fino a un totale di dieci cilindretti e relativi pistoncini. Naturalmente, a seconda del tipo di pinza vengono adottate pastiglie di disegno idoneo e nella quantità stabilita dal costruttore. Non si dimentichi però che, specialmente nelle auto da corsa, lo smaltimento del calore non è mai sufficientemente rapido, quindi la ricerca in questo campo è sempre una partita aperta.

Freni a pinza flottante
I freni a pinza flottante sono generalmente provvisti di un solo pistoncino che preme la rispettiva pastiglia su una sola facciata del disco. Nel momento in cui la pastiglia dal lato pistoncino preme sul disco freno, la pinza, per reazione, scorre assialmente facendo aderire anche l'altra pastiglia che si trova dalla parte opposta del disco stesso. Generalmente, tutte le auto che offrono uno spazio ridotto a causa del braccio a terra negativo (distanza del punto di contatto della ruota dalla linea di prolungamento del perno del fuso a snodo sulla sede stradale) montano pinze freni flottanti. Le pinze flottanti, inoltre, presentano una minore sensibilità alle temperature presenti sui freni, quindi sono meno soggette alla formazione di bolle di vapore (vapour-lock) dovute appunto alla eccessiva temperatura del liquido contenuto nell'impianto. Grazie alle proprie caratteristiche costruttive, la manutenzione dei freni dotati di pinze flottanti è estremamente semplice.

Come funziona la pinza flottante
Azionando il pedale del freno, il liquido fa scorrere il pistoncino verso la superficie del disco, venendo a premere contro la pastiglia interna. Aumentando la pressione, il corpo della pinza flottante, libero di muoversi sul proprio supporto, viene spostato verso la parte opposta e anche la pastiglia esterna viene premuta contro il disco. Aumentando ulteriormente la pressione sul pedale del freno, entrambe le pastiglie vengono premute con forza uguale sulle due superfici del disco. Il primo impatto sul disco del freno però lo riceve, a ogni frenata, la pastiglia interna a contatto con il pistoncino.In questo modo si riscontra che la pastiglia indicata ha un'usura superiore a quella che si trova dalla parte opposta. Il fatto però non è tale da infirmare la sicurezza della frenata né la durata complessiva delle pastiglie dei freni.

I freni a tamburo
Fino agli anni Cinquanta quasi tutte le auto circolanti erano dotate di freni a tamburo sulle quattro ruote, nel corso degli anni Sessanta una grande parte di automobili veniva dotata di freni a disco sull'asse anteriore e freni a tamburo su quello posteriore. Al momento attuale vengono prodotte vetture equipaggiate esclusivamente con freni a disco anteriormente, mentre nella parte posteriore, anche se la tendenza di montare i dischi è in crescendo, molte Case, specialmente per le auto di piccola e media cilindrata, adottano ancora freni a tamburo. I freni a tamburo sul solo asse posteriore sono costituiti dai seguenti particolari:
- 2 tamburi del freno;
- 2 supporti (dischi o piatti) portaceppi;
- 1 o 2 cilindretti;
- 2 o più ganasce freni;
- 2 o più molle di richiamo;
- 2 o più dispositivi per il recupero del gioco;
- 2 perni fissi sul disco (comunemente detto anche piatto) portaceppi;
- a seconda dei modelli, 2 perni di articolazione per l'inserimento dei dispositivi di autoregistrazione.

I tamburi
I tamburi dei freni possono essere in ghisa o in lega leggera con anello in ghisa incorporato. Attualmente quasi tutte le auto che sono dotate di freni a tamburo posteriormente montano tamburi in ghisa. Le caratteristiche fondamentali dei tamburi sono: la resistenza all'abrasione, la buona conducibilità termica e la resistenza alle elevate temperature. Nel caso di tamburi in lega leggera (sempre più rari), essendo questo materiale scarsamente resistente all'abrasione, si rende necessario incorporare nella fusione stessa un anello in ghisa o acciaio, in modo che le ganasce dei freni possano aderire su una superficie più idonea. I tamburi in lega leggera inoltre sono quasi sempre dotati di alettature o di nervature, che ne aumentano la rigidità e migliorano lo smaltimento del calore. Per ridurre gli inconvenienti dovuti alle masse non sospese e per diminuire il peso che grava sugli elementi elastici e sulle sospensioni, in qualche modello si è ricorsi all'applicazione di tamburi (o di dischi) in prossimità del gruppo cambio-differenziale, invece che sulle ruote. Questo sistema però è andato in disuso e abbiamo ragione di ritenere che non sia più proponibile. I tamburi possono essere con mozzo ruota incorporato, oppure senza mozzo. Nel primo caso quando il tamburo è usurato viene fornito completo di cuscinetti, nel secondo caso, ed è quello più adottato, è sufficiente sostituire il solo tamburo con una spesa molto minore.

Le ganasce dei freni a tamburo
Le ganasce dei freni sono formate da due elementi semicircolari (raramente anche tre) costruiti in lamiera stampata o in lega leggera, sui quali vengono fissate le guarnizioni frenanti mediante chiodatura o incollaggio a caldo. L'azione frenante avviene quindi per l'attrito che le ganasce producono nella parte interna del tamburo dove l'energia meccanica viene trasformata in calore. Fino a qualche anno fa le guarnizioni di attrito erano costituite da un'alta componente di amianto unita a fili di rame o di alluminio che gli conferivano un'alta resistenza meccanica (circa 550kg/cm2), ma poiché l'amianto è stato ritenuto cancerogeno, non viene più utilizzato, quindi l'industria automobilistica si è orientata verso altri prodotti ugualmente efficaci e molto meno inquinanti. Le guarnizioni delle ganasce devono avere le caratteristiche necessarie per offrire:
- un elevato coefficiente di attrito, costante anche a temperature molto alte;
- una buona resistenza meccanica e all'usura.
In mancanza di queste qualità, la frenata risulta relativamente buona a freni freddi e scadente alle temperature più elevate, a causa del fenomeno di fading . Come avviene per i freni a disco, quando il conducente preme il pedale di comando del freno, agisce su una pompa che mette in pressione il liquido nelle tubazioni del circuito, quindi nel cilindretto attuatore che allarga le ganasce spingendole contro la superficie interna del tamburo. Nel momento in cui il conducente abbandona il pedale del freno, una o più molle provvedono a riportare le ganasce in posizione di riposo rendendo libere le ruote. Il ceppo collocato sulla sinistra del disco portaceppi viene detto avvolgente o iperfrenante, mentre quello che si trova sulla destra viene detto svolgente o ipofrenante. I ceppi dei freni possono essere incernierati nella parte inferiore con un cilindretto nella parte superiore, incernierati avvolgenti con due cilindretti, cioè uno in alto e l'altro in basso, autocentranti flottanti, cioè senza alcun punto di incernieramento o infine, a doppia espansione. A proposito di ganasce avvolgenti iperfrenanti è bene sottolineare che queste, oltre che dalla pressione prodotta dai pistoncini del cilindretto, vengono incalzate anche dal trascinamento provocato dalla rotazione del tamburo, il quale tende ad aprirle premendole con forza sulla superficie del tamburo stesso, mentre l'altra ganascia, non avendo questo effetto cuneo, esercita un'azione frenante molto inferiore. Questo fatto è la causa della maggiore usura che spesso si riscontra nella ganascia montata sul lato sinistro del disco portaceppi. Per evitare questa condizione (per la verità accettabile) occorre montare due cilindretti in modo che entrambe le ganasce diventino iperfrenanti. Molte Case però hanno dato la preferenza alla prima versione che, tutto sommato, è la più semplice e offre ugualmente una frenata affidabile. Qualunque sia la disposizione dei ceppi, il principio di funzionamento dei freni a tamburo è praticamente lo stesso per tutte le automobili.

Elementi del circuito idraulico dei freni
Il circuito idraulico dei freni è costituito da una serie di dispositivi, che vengono comandati dal liquido posto in pressione da una pompa, azionata direttamente o indirettamente dal pedale di comando. Questi i dispositivi presenti nel circuito idraulico dei freni senza ABS:
- serbatoio di alimentazione;
- pompa di comando, detta anche cilindro maestro;
- pinze per freni a disco con uno o più cilindretti e pistoncini;
- cilindretti per freni a tamburo con uno o più pistoncini;
- correttore di frenata, detto anche limitatore o regolatore di frenata;
- tubazioni rigide, flessibili e raccordi.

Il liquido dei freni
Il principio di funzionamento del circuito idraulico si basa sul fatto che i liquidi sono incomprimibili. Nel circuito idraulico dell'impianto frenante viene immesso un liquido costituito da una particolare miscela di poliglicoli, alcoli e additivi antischiuma con adeguate caratteristiche.
Al liquido dell'impianto frenante si richiedono essenzialmente le seguenti qualità:
- allo scopo di mantenere attive le sue caratteristiche anche nei lunghi percorsi in discesa ed evitare la formazione di bolle di vapore, il punto di ebollizione non deve essere inferiore a circa 250/260°C;
- deve avere scarsa comprimibilità per potere trasmettere il più rigidamente possibile gli sforzi;
- la sua viscosità non deve essere tale da risentire delle basse temperature;
- per evitare di danneggiare i cilindretti e le guarnizioni in gomma sintetica, il liquido non deve contenere aggressivi chimici;
- per favorire lo scorrimento dei cilindretti e il movimento delle altre parti contenute nell'impianto, il liquido deve essere dotato di una buona untuosità.
Periodicamente, al massimo ogni due anni, è necessario effettuare la completa sostituzione del liquido dei freni in quanto, essendo igroscopico, tende a perdere con il tempo le proprie caratteristiche. La presenza di una piccola percentuale di acqua nel liquido freni, causa una drastica riduzione della resistenza alla temperatura e la maggiore produzione di vapour-lock.

La pompa maestra, o pompa di comando
A norma di legge, la pompa dei freni deve essere costruita in modo da contenere due circuiti separati che alimentino due diramazioni dirette ai freni, generalmente in modo diagonale. In sostanza, da una camera della pompa parte un tubo di metallo che, diramandosi, alimenta la ruota anteriore sinistra e quella posteriore destra e da un'altra camera della stessa pompa parte un tubo di metallo che alimenta la ruota anteriore destra e quella posteriore sinistra. Un'altra soluzione, ma molto meno diffusa, è quella di montare due pompe a pompante unico. Con il sistema indicato, in caso di avaria di una tubazione, si hanno sempre due ruote che frenano, ma occorre non sottovalutare il fatto che il conducente, ignaro di un eventuale guasto, confida nella frenata piena sulle quattro ruote; venendo a mancargliene due senza conoscere il comportamento del veicolo, il coefficiente di pericolosità rimane molto elevato. Ecco perché è importante prevenire i guasti ai freni e non attendere che questi si manifestino. La pompa di comando è alimentata da un serbatoio dotato di due anse che alimentano separatamente i due circuiti separati tra loro. Il liquido contenuto nel serbatoio si aggiunge continuamente a quello già presente nel circuito e va a occupare lo spazio che viene lasciato libero dall'usura delle guarnizioni di attrito dei freni. Infatti, notando un calo eccessivo del liquido contenuto nel serbatoio (generalmente trasparente) si possono fare due deduzioni: a) eccessiva usura dei freni; b) dispersione di liquido a causa di una perdita dall'impianto. Come abbiamo detto in precedenza, il liquido dell'impianto dei freni è incomprimibile, mentre i gas (quindi l'aria) possono essere compressi. Per questa ragione è necessario evitare che nel circuito si formino o entrino delle bolle d'aria che potrebbero compromettere l'efficacia della frenata. Quando nell'impianto è presente anche soltanto una modesta quantità d'aria, il pedale del freno diventa elastico e, molto spesso, la frenata risulta quasi nulla. In presenza di questo inconveniente occorre effettuare lo spurgo (o disaerazione) del circuito frenante, di cui daremo maggiori ragguagli nella prossima puntata. Il contenitore del liquido dei freni è dotato di un dispositivo elettrico che indica al conducente, tramite l'accensione di una lampadina spia posta sul cruscotto, l'abbassamento anomalo del livello del liquido. Per quanto riguarda la diagnosi, la prima verifica da effettuare è quella di accertare che il livello del liquido nel contenitore sia al punto giusto e che non si rendano necessari continui rabbocchi. In questo caso significherebbe che l'impianto frenante è difettoso.

I cilindretti dei freni a tamburo
La funzione dei cilindretti (detti anche attuatori), è quella di provocare lo spostamento delle ganasce e premerle verso la superficie interna del tamburo. Quando il conducente preme il pedale del freno, il liquido in pressione nell'interno del cilindretto agisce sui pistoncini e sugli anelli, assialmente e radialmente, in modo da migliorarne la tenuta con l'aumentare della pressione. Durante lo spostamento assiale dei pistoncini, la forza delle molle di richiamo viene vinta dalla pressione e le ganasce vengono spinte verso il tamburo. I cilindretti possono essere a doppia espansione, cioè con due pistoncini, oppure a espansione semplice, cioè con un solo pistoncino. In quest'ultimo caso significa che il freno a tamburo è dotato di due cilindretti che intervengono ognuno su una ganascia. Nella maggioranza delle automobili moderne il freno a tamburo (posteriore) è dotato di un cilindretto a doppia espansione con ganasce autocentranti e con registrazione automatica del gioco.

Il limitatore di frenata
Viene anche detto correttore di frenata, o regolatore di frenata. In ogni caso si tratta di un dispositivo la cui funzione è quella di controllare e limitare la pressione del liquido nel circuito delle ruote posteriori. Questo meccanismo si è reso necessario per evitare che le ruote posteriori possano bloccarsi quando l'auto viaggia senza carico. Poiché l'aderenza delle ruote è maggiore o minore in rapporto al carico, il limitatore di frenata riduce l'azione dei freni posteriori a vettura scarica e ne aumenta la potenza quando il carico è maggiore. Il dispositivo viene azionato da una barra e da un leveraggio collegati alle parti mobili delle sospensioni o della carrozzeria, in modo che questi possano trasmettere le variazioni di carico dovute alla presenza di passeggeri, bagagli o altro. A seconda della posizione della barra di comando, dipendente dal carico, la valvola che si trova nella parte interna del limitatore viene posta in posizione tale da ridurre o aumentare l'azione frenante sulle ruote posteriori, conferendo alla frenata stessa un maggiore equilibrio. Se in fase di frenata su strada si avvertisse il bloccaggio delle ruote posteriori, indipendentemente dalle condizioni di carico, è opportuno controllare che la registrazione del limitatore di frenata corrisponda ai valori indicati dalla Casa. Naturalmente ogni marca e modello montano limitatori di frenata diversi, ma lo scopo di tali meccanismi è sempre il medesimo.

Il servofreno a depressione
La funzione del servofreno è di aumentare la forza esercitata sul pedale, riducendo così lo sforzo da parte del conducente. Il servofreno a depressione viene ormai montato nella grande maggioranza delle automobili attualmente prodotte. Gli impianti di frenatura per autovetture sono equipaggiati prevalentemente con servofreni a depressione. Questi utilizzano la depressione presente nel collettore di aspirazione dei motori a ciclo Otto o la depressione prodotta da una pompa del vuoto specifica montata nei motori a ciclo Diesel. All'azione del servofreno si aggiunge anche quella generata dal conducente sul pedale del freno conferendo al sistema frenante una potenza che si può considerare doppia rispetto a quella di un impianto senza questo dispositivo. Il servofreno è costituito da un involucro in lamiera di forma cilindrica di circa 20÷25cm ed è formato principalmente da una camera anteriore e da una posteriore divise da una membrana elastica. Un tubo, generalmente in gomma telata, collega il servofreno al collettore di aspirazione con interposta una valvola automatica di non ritorno. Attualmente il servofreno viene collegato direttamente al pedale di comando e su di esso è montata anche la pompa maestra dei freni. In questo modo, in caso di spegnimento del motore o di avaria al servofreno stesso, il conducente, con uno sforzo molto maggiore, può usufruire ugualmente di una buona frenata di emergenza. In alcune automobili l'impianto frenante è dotato di un serbatoio del vuoto che garantisce una scorta di depressione in grado di assicurare un certo numero di frenate (quattro o cinque) anche a motore fermo.

Il freno di stazionamento
Il cosiddetto freno a mano o freno di stazionamento è quasi sempre di tipo meccanico e interviene sulle ruote posteriori. In passato, in alcuni modelli, il freno di stazionamento agiva sulle ruote anteriori. Anche la posizione della leva di comando ha subito diverse trasformazioni, ma al momento attuale, nella maggioranza delle automobili, la leva viene collocata al centro del tunnel. La leva è dotata di un arpionismo, cioè di un settore dentato, che ne consente il bloccaggio permanente e può essere sbloccata tramite la pressione di un pomello. Il collegamento tra la leva e le ruote avviene quasi sempre attraverso funi di acciaio, che sono collegate a loro volta con le ganasce dei freni o con le pinze posteriori. In quest'ultimo caso, l'azione frenante può avvenire sulle stesse pastiglie delle pinze oppure tramite pastiglie di dimensioni minori, montate sulle pinze stesse, adibite soltanto al freno di stazionamento. In sede di prova, se tirando completamente la leva non si ottiene il bloccaggio delle ruote, occorre provvedere a effettuare la registrazione della tiranteria. Per essere certi che nessuna ruota rimanga bloccata a seguito della registrazione, il bloccaggio delle ruote deve avvenire intorno alla metà della totale escursione della leva stessa. Se tirando leggermente la leva del freno di stazionamento si riscontra un netto miglioramento nella consistenza del pedale di comando del freno di servizio, è evidente che i freni posteriori sono del tipo a ganasce con registro manuale, oppure vi è un registro automatico che non funziona regolarmente. In questo caso è necessario provvedere alla registrazione dei freni. I tecnici di Notiziario Motoristico ringraziano la Taroni & C. s.a.s. di Osnago (LC) per la collaborazione offerta.

Photogallery