Un sistema idraulico, pneumatico e meccanico al quale è affidata gran parte della sicurezza attiva del veicolo. La corretta manutenzione, ma soprattutto la scelta oculata dei materiali sono garanzie di una frenata sicura anche in condizioni ambientali non favorevoli. I consigli dei nostri tecnici agli autoriparatori.

Il problema dell'elevata temperatura che si sviluppa tra le parti mobili dei freni e quelle fisse non si può certo dire che sia stato risolto, ma sicuramente qualcosa di molto importante in questi ultimi vent'anni è stato fatto. I problemi da risolvere sono sostanzialmente due: disperdere il calore prodotto durante la frenata nel minor tempo possibile e impiegare materiali sempre più sofisticati in grado di sopportare forti attriti e temperature che si aggirano intorno a 600°C. Per saperne di più siamo andati ad Osnago, in provincia di Lecco, dove ha sede la TAR-OX di Gianni Taron, sicuramente uno dei più tenaci studiosi di impianti frenanti sia per le auto da competizione, che per quelle che vediamo sulle strade tutti i giorni. A Taroni, infatti, sono accreditati diversi brevetti che hanno contribuito al miglioramento del sistema frenante e ad elevare il coefficiente di sicurezza attiva dell'automobile. Per dissipare in modo più rapido il calore che si genera durante la frenata, si è reso necessario aumentare la superficie disperdente con dischi autoventilati utilizzando ghise speciali adatte per ogni impiego, ma il problema rimane sempre attuale. Con il continuo progresso della motoristica si è arrivati al punto che anche una vettura di piccola cilindrata è in grado di raggiungere agevolmente i 150 km/h. Per arrestare una massa di 900÷1000 chilogrammi a quella velocità, occorre avere un impianto freni perfettamente funzionante e realizzato con materiali di ottima qualità. In caso contrario, gli spazi di frenata si allungano e il pericolo d'impatto si fa sempre più probabile con tutti i rischi che ormai non sono più sconosciuti a nessuno. Abbiamo citato la massa relativa a una vettura scarica, immaginiamo che cosa succede quando aggiungiamo passeggeri e bagagli per altri 400 chilogrammi. E' certamente noto a tutti gli automobilisti che una frenata breve non rappresenta un affaticamento per i freni, ma se la frenata è lunga, ripetitiva e d'emergenza si nota che questi intervengono con un primo attacco tenace, che soddisfa l'immediata esigenza del conducente, ma subito dopo si riscontra un notevole cedimento della frenata dovuto al surriscaldamento delle parti in contatto. Rimediare a questo inconveniente (fading) non è semplice, specialmente quando si percorrono lunghi tragitti in discesa, dove i freni vengono continuamente sollecitati e non hanno la possibilità di smaltire il calore che, viceversa, va via via accumulandosi con il trascorrere dei chilometri e le continue frenate. Come rimediare? La risposta ci è stata data da Gianni Taroni, titolare della TAR-OX, che di queste cose se ne intende: prima di tutto occorre costruire i componenti con materiale di prima qualità, ma per raggiungere i risultati migliori occorre effettuare lunghi ed estenuanti test al banco e successivamente su vettura. Queste prove hanno lo scopo di potere scegliere la ghisa più adatta e le pastiglie più idonee per ogni tipo di utilizzo e realizzate con procedimenti particolari che consentano di sopportare temperature elevatissime. E' fuori dubbio che in commercio si possono trovare ricambi di buona qualità sia originali che d'Aftermarket, ma è anche noto che vengono commercializzati ricambi a bassissimo prezzo che non danno alcuna garanzia. A questo inganno partecipano molto spesso anche taluni incoscienti autoriparatori i quali sanno bene che chi vuole risparmiare sui freni non fa un buon affare e se ne accorge nel momento in cui ha veramente bisogno di arrestare il veicolo in pochi, determinanti metri. Vi sono momenti e circostanze che i buoni riflessi del conducente vengono penalizzati a causa della scadente risposta dei freni: questo è dovuto unicamente alla mancata manutenzione e alla scelta errata e incompetente dei componenti che costituiscono l'impianto frenante.

La sicurezza inizia in officina
Quando il conducente di un'auto si presenta in officina per segnalare una irregolarità ai freni, questi si riferisce quasi sempre al fatto che in frenata ha percepito un comportamento dell'auto diverso rispetto alla condizione precedente. Un buon tecnico non deve mai sottovalutare le impressioni percepite dal cliente, ma deve saper porre quella serie di domande tramite le quali, per esclusione, per intuizione e per logica, è possibile effettuare una diagnosi esatta, anche senza esasperati collaudi su strada che provocano danni irrimediabili ai pneumatici. Questa regola vale naturalmente non soltanto per le segnalazioni di eventuali avarie ai freni, ma è da tenere in considerazione anche per tutte le impressioni che il cliente indica al responsabile d'officina. Non si dimentichi che molti automobilisti, anche se con limitata competenza, sono in grado di avvertire vibrazioni, anomalie e battiti quasi impercettibili, sulla loro auto, senza conoscerne la provenienza. Compete poi al tecnico stabilire quali sono le origini dell'eventuale guasto in base alle informazioni che riceverà dallo stesso conducente e dalla prova su strada o, nel caso dei freni, su rulli. Infatti, ai collaudatori che operano presso le Case automobilistiche o nelle filiali, molto spesso è sufficiente fare quattro domande al cliente per capire la provenienza del difetto e quali interventi si devono effettuare per riportare l'auto alla normalità. Questo ci dice quanto siano fondamentali l'esperienza e la competenza che si acquisiscono dopo anni di professione e di impegno supportati da una buona formazione professionale. Ma una preparazione tecnica di prim'ordine nella diagnostica ha poco valore se chi esegue il lavoro impiega poi materiali "economici" e inaffidabili. Gli argomenti che trattiamo di seguito devono essere seguiti con il massimo impegno in quanto hanno attinenza con la sicurezza di marcia e con l'incolumità delle persone. A proposito di sicurezza, per quanto concerne l'impianto frenante, ci siamo rivolti all'esperienza dei tecnici della TAR-OX di Osnago (LC), un'azienda produttrice di componentistica per l'impianto frenante, che ha ottenuto notevoli consensi in tutto il mondo grazie alle esperienze acquisite su auto di Formula 1, da rally, da competizione in generale e su quelle di grande serie di note marche italiane ed estere. Abbiamo provato personalmente a condurre un'auto con un impianto frenante di alto livello e possiamo affermare che la differenza e l'affidabilità sono davvero notevoli.

Perché è difficile fermare l'auto
Un'auto in movimento accumula una quantità di energia cinetica che è proporzionale alla sua massa (peso) ed al quadrato della sua velocità. Questa è una regola fisica alla quale non si può sfuggire. Per arrestare un'automobile in movimento l'energia cinetica prodotta viene trasformata in calore e dispersa attraverso i freni. Le parti che ne sono maggiormente interessate sono i dischi dei freni anteriori e le relative pastiglie. In conseguenza dell'elevata temperatura il liquido dei freni subisce alterazioni che possono compromettere la consistenza del pedale di comando. Gli attuali prodotti messi in commercio dalle Case serie devono avere un punto di ebollizione minimo che si aggiri intorno ai 250÷260°C. Come avremo modo di vedere nella seconda parte di questo servizio, a temperature molto elevate si formano delle bollicine di vapore nel circuito idraulico, che danno origine a bolle d'aria (vapour-lock), in grado di diminuire improvvisamente la potenza frenante del 50 per cento. Non è difficile intuire che, se l'automobilista è preparato a questo difetto, è in grado di sottrarsi al pericolo della "frenata bianca", ma se questo avviene proprio nel momento in cui al conducente urge tutta la potenza e l'affidabilità dei freni, è meglio non approfondire le possibili conseguenze. Per ottenere l'arresto del veicolo si deve ricorrere a quelle che vengono definite resistenze passive, cioè per attrito meccanico oppure per applicazioni di tipo aerodinamico. Nel caso dell'attrito meccanico si fa riferimento ai freni tradizionalmente conosciuti come i pattini che vengono montati nelle biciclette, fino ai più apprezzati impianti per auto a gestione elettronica. I sistemi di rallentamento del veicolo tramite alettoni, aerofreno o paracadute, sono efficaci soltanto ad altissima velocità, quindi improponibili nelle auto da strada. E' un po' come l'utopia degli spoiler collocati su alcune vetture di serie che avrebbero la pretesa di aumentare il carico sugli assali, ma in realtà quando si viaggia a bassa velocità o alle velocità prescritte, non servono assolutamente a nulla. Considerato che nelle automobili non è possibile né pratico montare dispositivi frenanti aerodinamici, nelle pagine che seguono tratteremo soltanto gli impianti che vengono montati dalla normale produzione automobilistica. Come abbiamo già riferito, i freni delle automobili utilizzano l'attrito che viene prodotto dal contatto di una parte rotante solidale con la ruota (disco o tamburo) e da una fissa (pastiglie dei dischi o ganasce dei tamburi) solidale con appositi supporti a seconda del tipo di freno. L'impianto frenante di un'auto può essere costituito da due dischi nell'asse anteriore e da due tamburi nell'asse posteriore, oppure da quattro dischi. In passato, cioè tra gli anni Venti e gli anni Cinquanta, quasi tutte le auto erano dotate di freni a tamburo sulle quattro ruote. Lasciando a parte, per ora, gli impianti dotati di ABS, o di un altro sistema di antibloccaggio, di cui ci occuperemo in seguito, un normale impianto frenante idraulico è costituito dai seguenti componenti :

• Pompa maestra;
• Pinze freno;
• Dischi freno;
• Pastiglie e guarnizioni di attrito;
• Tamburi;
• Cilindri comando ganasce;
• Ganasce o ceppi;
• Tubazioni e raccordi.

Seguono naturalmente tutti i componenti riguardanti i dispositivi del freno di stazionamento.

Il principio di funzionamento
Quando il conducente preme sul pedale di comando del freno provoca l'avanzamento di uno o più stantuffi nella pompa maestra. La pressione esercitata dalla pompa nel circuito idraulico, per effetto della forza applicata al pedale, si trasmette integralmente ed uniformemente ai pistoni delle pinze generando una forza sulle pastiglie, proporzionale alla forza esercitata sul pedale, determinando il rallentamento o l'arresto del veicolo. Paragonato al freno a tamburo, di cui vedremo maggiori dettagli nella seconda parte del servizio, il freno a disco rappresenta la soluzione più razionale ed efficiente poiché è caratterizzato dai seguenti requisiti tecnici: - proporzionalità diretta fra la forza sul pedale e la forza frenante; - capacità di trasformare in calore una notevole quantità di energia e di smaltire il calore ricevuto in tempi relativamente brevi; - maggiore facilità di controllo e semplicità di manutenzione.

Il disco del freno
Il disco del freno che viene normalmente prodotto dalla TAR-OX è costruito in ghisa speciale, studiata e definita con durezze comprese fra 190 e 240 punti Brinell. In alcuni casi particolari si richiede la presenza di metalli leganti come il nichel, il cromo ed il molibdeno. La prova Brinell, come principio, misura la resistenza che un materiale oppone a un'ammaccatura causata da un elemento più duro. Con una pressione statica prodotta da una sfera di acciaio sul particolare da provare, si forma un'impronta a sezione circolare che, misurata con l'aiuto di un microscopio graduato e paragonata ad una tabella, fornisce la durezza del materiale. Le prove di durezza si ottengono anche con strumentazioni più sofisticate, ma quanto detto ci basta per capire che la resistenza superficiale delle parti soggette ad attrito ha una grande importanza. Tra i vari test prodotti dalla TAR-OX non viene trascurato neanche quello relativo alla resilienza del materiale che rappresenta la capacità di resistere agli urti, quindi alle deformazioni. Il disco del freno può essere costruito in modo tale da poter alloggiare i cuscinetti che formano il mozzo della ruota oppure di montarli sul mozzo ruota che è indipendente dal disco. Nel primo caso il disco del freno svolge una duplice azione: quella specifica del disco freno e quella del mozzo portacuscinetti. Questa soluzione, ormai abbandonata per le automobili, era maggiormente in uso negli anni Cinquanta/Sessanta. In molte automobili vengono montati dischi forati radialmente o con appropriate scanalature in modo da ottenerne un raffreddamento più rapido. Questi dischi, per la loro particolare caratteristica e per le alettature di cui dispongono, vengono definiti "autoventilati". I fori radiali nei dischi autoventilati hanno il compito di incamerare aria da una parte e farla uscire dall'altra, producendo una circolazione atta a sottrarre calore al disco. Il disco autoventilato può essere prodotto per fusione oppure ricavato dal pieno, cioè da una porzione tagliata da una barra di diametro prestabilito e debitamente lavorato con macchinari di alta precisione. E' intuibile che quest'ultimo tipo di lavorazione praticato dalla TAR-OX presenta costi molto elevati, ma i risultati sono decisamente convincenti. Le auto da competizione montano dischi in fibre di carbonio, che garantiscono un forte coefficiente di attrito, resistenza alle temperature molto elevate ed estrema leggerezza. Al momento attuale sono in fase di perfezionamento dischi costruiti in materiale ceramico, che sono in grado di sopportare temperature vicine a 1500°C e con una durata otto volte superiore a quelli tradizionali. Pur mantenendo inalterate le dimensioni, il disco in ceramica ha il vantaggio di pesare la metà e contenere quindi le masse collegate alla ruota, cosiddette masse "non sospese", a tutto vantaggio del coefficiente di aderenza delle ruote stesse sul terreno. Da non confondere con il coefficiente di aderenza dei pneumatici.

Le pastiglie dei freni
La forza frenante per attrito necessaria a provocare l'arresto o la decelerazione dell'autoveicolo viene ottenuta attraverso l'attrito che le pastiglie producono sulle due superfici dei dischi dei freni. Il coefficiente di attrito tra le pastiglie e il disco è dato soprattutto dall'impasto delle guarnizioni frenanti che compongono le pastiglie stesse. La loro realizzazione e la loro scelta per ogni singolo modello richiedono un'intensa ricerca sperimentale da parte dei costruttori di automobili. Le pastiglie dei freni a disco sono costituite da piastre metalliche perfettamente piane, aventi uno spessore che varia dai 6 agli 8mm, sulle quali vengono incollate le guarnizioni di attrito. Le piastre e le guarnizioni frenanti sono sagomate in modo da potere essere alloggiate nelle loro sedi sulle pinze, siano esse fisse o flottanti. (L'argomento "pinze" verrà trattato nella prossima puntata.) Lo spessore delle guarnizioni di attrito generalmente oscilla intorno ai 10 ÷ 11mm, ma in taluni casi quelle posteriori hanno uno spessore di qualche millimetro inferiore, grazie al fatto che il consumo dei freni sull'asse posteriore è sempre minore rispetto a quello anteriore. Anche se il gioco tra le pastiglie e il disco è calcolato intorno a 0,2mm, durante la marcia normale queste sfiorano leggermente le superfici frenanti del disco stesso senza produrre alcun attrito degno di nota. Questo spiega perché molto spesso, spingendo l'auto a mano in luogo silenzioso, si avverte un leggero fruscio proveniente dalle ruote. Le pastiglie dei freni, soprattutto quelle anteriori, sono spesso dotate di un cavetto di massa che indicano al conducente, tramite l'accensione di una lampadina spia sul cruscotto, che queste hanno raggiunto il loro valore massimo d'usura. La vetrificazione, detta anche cristallizzazione, delle pastiglie è un inconveniente che subentra quando i freni sono stati sollecitati per lunghi percorsi e quando hanno raggiunto temperature molto elevate. Con questa anomalia il coefficiente di attrito diminuisce sensibilmente e così anche la frenata risulta poco rassicurante. E' quindi buona norma cercare di evitare il più possibile il surriscaldamento dei freni alternando a questi lo scalare delle marce in modo da usufruire della depressione del motore. Non si dimentichi che un moderato surriscaldamento delle guarnizioni frenanti delle pastiglie può provocare una vetrificazione superficiale, alla quale si può ovviare attraverso la loro spianatura con una vigorosa ripassata della superficie su un piano di riscontro, sul quale verrà posto un foglio di carta vetrata di grana media. Se però la vetrificazione è molto profonda, la ripassatura delle pastiglie risulterà inutile, quindi occorrerà provvedere alla loro sostituzione. Seguendo anche il consiglio del proprio meccanico di fiducia, ogni automobilista deve scegliere il tipo di pastiglie più idoneo all'impiego della propria auto: a chi utilizza il mezzo prevalentemente in città si consigliano pastiglie morbide, mentre chi è costretto a viaggiare spesso in montagna è bene che monti pastiglie un po' più dure. Ormai quasi tutte le pastiglie sono dotate di un cavetto di massa che indica al conducente l'approssimarsi dell'usura delle guarnizioni frenanti. Come abbiamo già detto questo dispositivo provoca l'accensione di una spia luminosa sul cruscotto che avverte il conducente dell'anomalia. L'accensione della spia, generalmente, indica anche l'inserimento parziale o totale del freno di stazionamento o l'abbassamento del livello del liquido dell'impianto frenante. In ogni caso, quando la spia luminosa sul cruscotto si accende, occorre individuarne immediatamente le cause e prendere poi la decisione più opportuna.

Freni a disco: sintomi, cause e rimedi
Dalle statistiche e dalle esperienze rilevate dai nostri tecnici è risultato che la durata dei freni anteriori e posteriori, cioè pastiglie, dischi e tamburi, è subordinata innanzitutto alla condotta di guida del conducente. Per capire quanto possa essere influente la guida dell'auto sulla durata dei freni, indichiamo i due estremi rilevati da noi stessi durante la nostra lunga esperienza d'officina su due automobilisti con caratteristiche di guida diverse: - per il primo automobilista, dopo una percorrenza di 9.000 chilometri, si è dovuto ricorrere alla sostituzione sia delle pastiglie sia dei dischi anteriori; - al secondo automobilista invece sono state sostituite le pastiglie dei freni anteriori al traguardo dei 70.000 chilometri e non si è resa necessaria la sostituzione dei dischi. Di fronte a questi elementi è difficile anche per il più smaliziato dei tecnici dare consigli su come utilizzare i freni dell'auto. A proposito di tecnici, indichiamo di seguito quali sono i principali inconvenienti che possono emergere nell'impianto frenante limitatamente ai freni a disco anteriori di una normale auto di serie.

Sintomo
Il freno a disco stride in frenata
Cause
a) pastiglie usurate oltre il limite;
b) montaggio di pastiglie non adeguate.
Rimedi
a) montare pastiglie nuove e verificare le condizioni dei dischi; in caso di dubbio, ripassare al tornio o alla rettifica i dischi o provvedere alla loro sostituzione;
b) sostituire le pastiglie evitando di montare ricambi di provenienza sconosciuta.

Sintomi
Il freno vibra durante la frenata e la vibrazione si ripercuote sul pedale del freno e sull'avantreno
Cause
a) dischi dei freni sono deformati in conseguenza dell'eccessiva usura o di precedenti surriscaldamenti;
b) pinza del freno non montata correttamente sul suo supporto.
Rimedi
a) ripassare al tornio o alla rettifica la coppia dei dischi freni oppure sostituirli;
b) controllare il corretto montaggio delle pinze.

Sintomo
Durante marcia normale , cioè senza l'uso dei freni, uno dei due dischi si surriscalda
Cause
a) pastiglie bloccate nella loro sede sulla pinza;
b) pistoncini bloccati nei loro cilindretti;
c) pinza non allineata con il disco.
Rimedi
a) pulire la sede delle pastiglie ed assicurarsi che siano libere;
b) revisionare entrambe le pinze oppure sostituirle (ricordiamo che sia la revisione che la sostituzione delle pinze deve avvenire per coppie dello stesso asse);
c) controllare il supporto e montare correttamente la pinza su di esso.

Sintomo
Durante una frenata d'emergenza l'auto tende a sbandate da un lato
Cause
a) cilindretti delle pinze bloccati o semibloccati;
b) dischi deformati, sporchi o usurati in modo anomalo;
c) passaggio di liquido otturato su una delle due pinze.
Rimedi
a) revisionare o sostituire le pinze;
b) ripassare i dischi al tornio o alla rettifica o sostituirli;
c) aprire le valvole di disaerazione in modo da verificare il flusso o la mancanza di liquido sulle pinze e prendere i provvedimenti del caso.

Ricordiamo che per ottenere una frenata efficace ed equilibrata sull'asse anteriore, l'accoppiamento disco-pastiglia è molto importante. Per questa ragione, durante le operazioni di revisione dei freni, è necessario effettuare sempre interventi uguali su entrambi i gruppi (destro e sinistro). In caso di ripassatura al tornio, o rettifica dei dischi, non si dimentichi che lo spessore di questi ha un limite di tolleranza che deve essere assolutamente rispettato e rientrare nei valori indicati dal costruttore.