Il Complesso Funzionamento dell'Impianto Frenante Automotive: Sicurezza, Innovazione e Manutenzione

Sebbene spesso considerata una delle componenti meno appariscenti di un veicolo, l'impianto frenante è una parte fondamentale per la circolazione su strada, garantendo sempre il controllo dell'automobile. Se gli pneumatici permettono all'auto di percorrere chilometri e il gruppo motopropulsore consente di spostarsi, i freni sono ciò che permette di fermarsi in sicurezza. Nonostante a livello tecnico possano sembrare pressoché invariati da diversi decenni, l'intero sistema frenante ha visto grandi innovazioni nel corso degli anni.

Principi Fondamentali della Frenata

Il freno è un meccanismo complesso utilizzato per ridurre la velocità di un veicolo, arrestarlo o mantenerlo fermo. L'impianto frenante di un'automobile si compone di una pompa idraulica sdoppiata comunicante con i freni. Il sistema frenante consente all'auto di decelerare ed arrestarsi, grazie all'attrito che le pastiglie generano sul freno. Quando si preme il pedale del freno si aziona una pompa idraulica che permette alla pinza di agire sulle pastiglie. Azionando l'impianto frenante, si forza la pastiglia contro il disco o il ceppo contro il tamburo; l'attrito fa rallentare la rotazione del disco o del tamburo e la perdita dell'energia cinetica si converte in calore.

I materiali con i quali sono normalmente realizzati i freni perdono efficacia con l'aumento della temperatura, causando una diminuzione della forza frenante chiamata frequentemente con i termini inglesi fade o fading. I problemi di surriscaldamento sono stati ridotti nel tempo con l'utilizzo di tamburi e dischi forati, i quali sono capaci di raffreddarsi più velocemente.

Le Tipologie Principali di Freni: Tamburo e Disco

Nell'ambito automobilistico, i freni si distinguono principalmente in freni a tamburo e freni a disco.

Freni a Tamburo

I freni a tamburo sono costituiti da un tamburo e da due ganasce, contenenti due pistoncini ad azione contrapposta. Premendo il pedale del freno, questi pistoncini si allontanano provocando l'allargamento delle ganasce ricoperte da un materiale di attrito che esercitano una forza sul tamburo dall'interno, determinando l'azione frenante.

Esistono diverse varianti di freni a ceppo, dai quali derivano i moderni freni a tamburo:

• Ceppo semplice: È il tipo più semplice di freni, costituito da un piccolo ceppo adattato alla superficie laterale del tamburo. Una leva collegata al ceppo lo preme contro il tamburo con molta forza.
• Ceppo doppio: Su due lati del tamburo vengono montati due ceppi. La leva agisce simultaneamente su entrambi, talvolta azionando dei pistoncini idraulici.
• Ceppo esterno: È sempre a doppio ceppo ed è montato sulla parte esterna periferica del tamburo. I ceppi esterni sono più lunghi di quelli usati nei freni a ceppi interni e, una volta serrati, ricoprono completamente la superficie laterale esterna del tamburo.
• Ceppo interno: I ceppi sono montati all'interno del tamburo e, quando azionati, premono contro la superficie periferica interna. Per compensare il surriscaldamento, richiede sulle ruote anteriori un tamburo di grandi dimensioni e al tempo stesso una buona ventilazione, che renderebbe preferibile le ruote a raggi, robuste ma problematiche nella bilanciatura, meno aerodinamiche, fonti di turbolenza e sollevamento di polvere.

Un altro tipo di freno è il freno a nastro: un nastro metallico e flessibile, con un rivestimento interno per l'azione frenante tramite attrito. Il nastro viene fissato ad un lato su un punto fisso del telaio, poi viene avvolto sul tamburo rotante ed infine l'altra estremità del nastro viene collegata ad una leva. I due estremi del nastro vengono quasi a toccarsi in modo da coprire più porzione possibile del tamburo e dare quindi il massimo effetto frenante. Questo tipo di freno è spesso usato negli impianti di montacarichi e trasporto pesante come gli autobus.

I freni a tamburo presentano diversi svantaggi rispetto a quelli a disco, come una minore efficienza ad alte velocità e una potenza frenante limitata. Tuttavia, alcune auto montano i freni a disco davanti e quelli a tamburo dietro per due motivi: per contenere i costi, in quanto costa molto meno produrre freni a tamburo rispetto a quelli a disco; e per il trasferimento di peso. Auto e moto che oggi adoperano ancora i freni a tamburo, solo sull'asse posteriore, sono generalmente di fascia bassa e comunque di massa ridotta, ad esempio gli scooter di bassa cilindrata, o le utilitarie in versione non sportiva.

Un ritorno dei freni a tamburo si osserva sulle auto elettriche. Grazie alla frenata rigenerativa, le auto elettriche hanno meno bisogno di usare il sistema frenante meccanico. Usando poco i freni, c'è però il rischio che questi possano rovinarsi più rapidamente. I freni a tamburo, avendo all'interno l'elemento frenante, sono meno esposti alla ruggine e alla corrosione rispetto ai freni a disco, fattore critico per auto nelle quali il freno "normale" può anche non essere usato per lunghi periodi di tempo. Inoltre, la loro natura "chiusa" alle intemperie si sposa bene alla presenza sull'asse posteriore con automobili con motore elettrico posteriore.

Freni a Disco

I freni a disco sono caratterizzati dalla presenza di un disco sul quale una pinza che contiene le pastiglie frenanti esercita la sua azione. Ognuna delle quattro ruote è imbullonata (con 4 o 5 bulloni) su un disco in acciaio o in carbonio: la ruota e il disco gireranno insieme. La pinza dei freni è invece imbullonata alla carrozzeria dell'auto e rimane ferma, al suo interno ci saranno le pastiglie dei freni, una per lato, costituite da un materiale che genera un elevato attrito. Quando si preme il pedale del freno, si attiva il sistema idraulico. L'unità idraulica invia il liquido freni attraverso i tubi flessibili nella pinza, inducendo una pressione sul pistone della pinza. Le pinze comprimono le pastiglie dei freni sui dischi provocando attrito e rallentando di conseguenza il veicolo.

L'attrito produce calore, che può essere molto elevato quando i freni vengono usati a lungo, ma che i dischi dissipano rapidamente grazie alla loro ampia superficie e all'essere sempre esposti all'aria generata dal moto del veicolo. Le pastiglie dei freni sono fatte di un materiale che si consuma facilmente e vanno quindi periodicamente sostituite, anche se non c'è un chilometraggio preciso. Molto dipende infatti dal nostro stile di guida e dal tipo di strade che percorriamo. Sui modelli auto più recenti è presente una spia che si accende qualora le pastiglie siano troppo usurate.

Sistemi di Sicurezza Integrati: ABS, EBD e Servofreno

Nel corso degli anni, l'intero sistema frenante ha visto grandi innovazioni. Dall'introduzione, diventata ormai obbligatoria, dell'ABS (il sistema anti-bloccaggio dei freni) e dell'EBD, il ripartitore di frenata, che insieme al servofreno hanno permesso a tutti di poter operare al massimo il sistema frenante.

Il Sistema Antibloccaggio (ABS)

La sigla ABS è l'acronimo di Anti-lock Braking System, ovvero sistema antibloccaggio. Si tratta di un dispositivo elettronico che, grazie a dei sensori, controlla la velocità di rotazione delle ruote e la velocità raggiunta dell'auto. L'ABS è stato inventato da Bosch nel 1978, diffondendosi molto rapidamente su quasi tutte le auto in commercio.

L'ABS garantisce la massima forza della frenata a prescindere dalla pressione che il guidatore esercita sul pedale del freno e la massima aderenza delle gomme, migliorando così il controllo dello sterzo. In caso di frenata d'emergenza, bisognerà continuare a premere con forza il pedale senza allentare la pressione.

Su ciascuna ruota è posizionato un sensore, che ne rileva ogni rotazione e lo converte poi in un dato digitale che invia alla centralina. Quando il sensore rileva lo slittamento di una o più ruote, la centralina elettronica interviene sulla pompa idraulica dei freni, togliendo potenza alla frenata. In questo modo le ruote saranno libere di girare. L'ABS, impedendo il bloccaggio delle ruote, garantisce notevoli vantaggi: in caso di brusca frenata il conducente sarà in grado di sterzare e di evitare ostacoli. Si scongiurano inoltre i testacoda e i sottosterzi pericolosi dell'auto.

Durante una frenata molto energica e l'attivazione dell'ABS, il cambio di pressione repentino dei fluidi nell'impianto frenante genera vibrazioni sul pedale e rumori. Questo è un fenomeno del tutto normale e indica che l'ABS è entrato in funzione. L'introduzione dell'ABS ha portato numerosi vantaggi in ottica sicurezza, andando a intervenire sulle frenate di emergenza e riducendo così il verificarsi di incidenti gravi. L'ABS è dunque un aiuto ormai imprescindibile su tutte le auto e non solo, anche diverse moto ne sono dotate.

Il Ripartitore Elettronico di Frenata (EBD)

L'EBD (Electronic Brakeforce Distribution) lavora in simbiosi con l'ABS. Il suo compito è distribuire la forza frenante in modo ottimale tra le ruote anteriori e posteriori, e tra le ruote dello stesso asse, in base alle condizioni di carico, aderenza e manovra del veicolo. Questo impedisce un bloccaggio prematuro delle ruote posteriori (che causerebbe il testacoda) e massimizza l'efficienza della frenata.

Il Servofreno

Il servofreno è un dispositivo che amplifica la forza esercitata dal guidatore sul pedale del freno, rendendo la frenata meno faticosa e più efficace. Senza il servofreno, sarebbe necessario applicare una pressione molto maggiore per ottenere la stessa decelerazione.

Il Freno di Stazionamento

Un altro elemento che permette di bloccare il veicolo mentre è in sosta è il freno di stazionamento, detto anche freno a mano. Tradizionalmente meccanico, agisce sulle ruote posteriori bloccandole per evitare che il veicolo si muova quando parcheggiato. Nelle auto moderne, è sempre più diffuso il freno di stazionamento elettronico (EPB), che si attiva con un pulsante e offre funzioni aggiuntive come l'assistenza alla partenza in salita.

Innovazioni e Sistemi Frenanti di Ultima Generazione

Oggi, sebbene tutti questi sistemi siano ormai presenti su ogni auto e gli impianti frenanti siano ormai stabilizzati su due tecnologie prevalenti, i più semplici tamburi e i più potenti e diffusi dischi, c'è ancora spazio per le innovazioni. Soluzioni come il brake-by-wire, i sistemi integrati e l'ingresso sempre più prepotente della tecnologia tra sistemi di sicurezza alla guida attivi come gli ADAS hanno dato un'altra possibilità ai produttori di sistemi frenanti di innovare e creare nuove soluzioni.

Sistemi Frenanti Integrati (IBS) e Brake-by-Wire

Ad un primo sguardo, può sembrare come gli impianti frenanti siano rimasti pressoché invariati negli ultimi decenni. La sfida degli impianti frenanti di ultima generazione si è infatti spostata dal componente frenante in sé al resto della componentistica, al circuito del liquido dei freni e all'introduzione di nuove tecnologie come l'IBS e il Brake-by-wire, le ultime novità nel mondo dei freni.

Il Brake-by-wire, che in italiano si traduce con "freni via cavo", sostituisce tutta la complessa linea di condotti idraulici, pompe del servofreno e i chilometri di tubazioni che, dal nostro piede destro, vanno a influenzare la forza frenante. Questo sistema permette di sostituire il sistema idraulico dei freni con un sistema di centraline elettroniche e attuatori idraulici, comandati da un pedale del freno che non comanda con la pressione il livello di pressione, ma manda un segnale elettrico che indica la quantità esatta di forza frenante che il sistema deve esercitare.

Questo segnale viene mandato ad un sistema che include al suo interno pompa freno, servofreno e ABS, chiamati IBS, ovvero Integrated Braking Systems (sistemi frenanti integrati), che poi si occupano di trasformare il segnale inviato dal pedale in forza frenante. Un esempio di un sistema brake-by-wire è l'MK C1, un sistema realizzato da Continental e montato, ad esempio, su Alfa Romeo Stelvio e Giulia.

Un sistema frenante integrato permette quindi di avere in un solo modulo piuttosto compatto tutti i sistemi principali di un'auto, ovvero pompa freno, servofreno, ABS e anche l'ESP. Fino a pochi anni fa, gli impianti frenanti avevano un componente diverso per ognuno di questi dispositivi, aggiungendo complessità e peso. I punti di forza di un sistema frenante integrato partono proprio dalla condensazione di diverse componenti in un unico impianto frenante, con una centralina e una pompa idraulica controllata elettronicamente, che permette di risparmiare in ingombri e pesi rispetto ad un sistema tradizionale.

La tecnologia brake-by-wire, poi, aumenta la precisione dell'input dato al pedale, ne migliora i tempi di risposta in quanto non c'è bisogno di far "pompare" il pedale e attendere la risposta delle altre pompe, ma andare immediatamente ad azionare le pastiglie dei freni. In più, il feeling è migliore, in quanto per via della maggiore precisione di un pedale e una pompa freno a controllo elettronico è possibile modulare meglio la frenata. Non essendo poi collegato fisicamente alla pompa dei freni, il pedale del freno ha molte meno vibrazioni e da meno "sensazioni" al pedale, consentendo di avere un'esperienza più fluida e rilassata.

Compatibilità con ADAS e Veicoli Elettrificati

Il sistema brake-by-wire permesso dai sistemi IBS come il Continental MK C1, poi, ha un altro, enorme vantaggio: la compatibilità con gli ADAS (Advanced Driver-Assistance Systems) e con le automobili elettrificate.

Sulle auto elettriche e ibride, infatti, abbiamo una parte della frenata comandata dal freno a pedale che non aziona il sistema IBS, bensì la frenata rigenerativa, ovvero la capacità del motore elettrico di cambiare il suo verso di rotazione e generare energia, ricaricando la batteria con l'energia cinetica "raccolta". Questo, che di per sé è un enorme vantaggio, si trasforma in una sfida complicatissima con un sistema frenante tradizionale, in quanto il pedale del freno deve comandare allo stesso tempo sia la frenata rigenerativa che quella con dischi e pastiglie.

Un sistema IBS con brake-by-wire permette così di programmare il freno per unire frenata rigenerativa e meccanica, minimizzando la differenza di feeling nel pedale. La presenza della frenata rigenerativa, poi, ha una grande potenza frenante, maggiore a volte di quella di un normale impianto tradizionale. Se pensiamo, infatti, che il motore elettrico si trasforma in un generatore, può generare la sua potenza inversa, arrivando a recuperare tutta la sua potenza in rilascio, spesso pari a 200 o 300 kW. Questa grande presenza della frenata rigenerativa ha portato e sta portando sempre più costruttori a ripensare i propri sistemi frenanti, alleggerendo il compito del rallentamento alla frenata rigenerativa. Per questo, i freni meccanici rimangono per ovvie questioni di sicurezza, ma possono essere più piccoli.

In più, un sistema IBS come l'MK C1 di Continental è perfetto per l'utilizzo degli ADAS di ultima generazione. Con frenata automatica di emergenza, Cruise Control Adattivo e altri sistemi che permettono di evitare incidenti, infatti, è necessario che anche le centraline che gestiscono gli ADAS siano in grado di prendere in mano la situazione e azionare i freni. Questa soluzione, che con un impianto tradizionale sarebbe davvero complessa, è estremamente facile su un'auto con IBS e brake-by-wire. In questo modo, sia il conducente che gli ADAS possono inviare un segnale digitale alla centralina integrata come la Continental MK C1, permettendo all'automobile di rallentare.

Un ultimo vantaggio dei sistemi IBS è la loro leggerezza. La capacità di condensare quattro o più sistemi notoriamente complessi e pesanti in un solo componente, che nel caso dell'MK C1 di Continental è poco più grande di una normale pompa dei freni, riduce il peso dell'auto, andando a ridurre anche i consumi e le emissioni.

Altri Tipi di Freni e Concetti Correlati

Oltre ai freni a disco e a tamburo, esistono altre soluzioni frenanti, alcune delle quali meno comuni nelle autovetture moderne ma presenti in altri contesti o in veicoli specifici.

Freno Motore

Nei motori diesel degli autocarri e degli autobus può essere presente (soprattutto su motori di grande cilindrata) anche il freno motore, costituito da una valvola a farfalla che, se azionata, chiude parzialmente il condotto di scarico, mentre viene interrotta l'iniezione di gasolio; in questo modo anche la fase di scarico del motore (oltre a quella di compressione) diventa una fase frenante, aumentando così l'azione frenante complessiva.

Aerofreno

Agisce sul flusso d'aria esterno al veicolo, opponendovi resistenza e comportando quindi un rallentamento. Gli aeroplani utilizzano gli aerofreni a questo scopo. Anche alcuni modelli di automobili, soprattutto sportive, utilizzano questa soluzione sommandola all'effetto frenante dei freni meccanici, per raggiungere decelerazioni ragguardevoli: ad esempio la Bugatti Veyron con questo accorgimento arriva ai 2 g di decelerazione; anche altri modelli meno esclusivi tuttavia lo adottano. Le macchine di Formula 1 non lo usano in quanto il regolamento impedisce di adottare parti aerodinamiche mobili, se si esclude il sistema di riduzione della resistenza aerodinamica (DRS, Drag Reduction System), che viene utilizzato per lo scopo opposto.

Freno a Pattino

Utilizzato in campo tramviario e ferroviario. Ne esistono due tipologie principali: una che sfrutta l'attrito meccanico e l'altra in cui il pattino dissipa energia sfruttando il fenomeno delle correnti parassite, quindi non c'è usura o pericoli di slittamento del pattino poiché l'effetto frenante non è causato dall'attrito.

Freno Pneumatico

Nei mezzi ferroviari e su tutti gli autocarri pesanti si utilizza un tipo di comando freno in cui la pressione del gas può agire in positivo o negativo sulle pastiglie alloggiate dentro alla pinza. Viene utilizzato perché l'aria è facilmente reperibile, garantisce prestazioni ottimali anche a lunghe distanze. In caso di rottura, o distaccamento dalla motrice nel caso di rimorchi, il mezzo si arresta. Questo perché il freno è di tipo passivo, cioè in stato di riposo è in frenatura, attuata da una molla. Quindi per sfrenare il mezzo bisogna mandare dell'aria compressa (aria automatica), che riempie una camera al cui interno vi è una membrana la quale è collegata alla leva del freno e a cui vi si oppone la resistenza di una molla tarata ad una determinata pressione.

Freno Entrobordo (InBoard)

Questi freni si differenziano per il fatto che l'impianto frenante non è alloggiato nella ruota e non fa più parte dei componenti nelle masse non sospese. Questa configurazione, vista su diverse Jaguar e Alfa Romeo in passato, sposta la massa frenante più vicino al centro del veicolo, riducendo le masse non sospese e migliorando la maneggevolezza.

Manutenzione dell'Impianto Frenante

Per guidare correttamente e in tutta sicurezza la propria auto è fondamentale conoscere gli elementi costitutivi del veicolo e curarne la manutenzione. L'usura dei freni, di solito, ha come conseguenza una risposta anomala del pedale, e la macchina potrebbe vibrare in fase di frenata. Le pastiglie dei freni sono fatte di un materiale che si consuma facilmente e vanno quindi periodicamente sostituite, anche se non c'è un chilometraggio preciso. Molto dipende infatti dal nostro stile di guida e dal tipo di strade che percorriamo. Sui modelli auto più recenti è presente una spia che si accende qualora le pastiglie siano troppo usurate.

I sistemi frenanti odierni riescono ad unire leggerezza, sicurezza e capacità di adattarsi ad automobili elettrificate e sicure. Per questo, sorge spontanea una domanda: è ancora possibile effettuare da sé la manutenzione dei freni? Soprattutto con l'arrivo dei freni a disco, infatti, il cambio di dischi e pastiglie è uno degli interventi di manutenzione più importanti, ma allo stesso tempo più alla portata di un amatore.

Nonostante il livello di tecnologia sia arrivato a livelli molto alti, con sistemi che frenano autonomamente l'auto e che, già da diversi anni, monitorano l'usura delle pastiglie freno, è ancora possibile effettuare la manutenzione ordinaria di dischi e pastiglie. Il trucco è comunque utilizzare non solo componenti di ricambio di alta qualità, ma anche di munirsi della giusta attrezzatura.

Vista la delicatezza della materia (i freni sono infatti una componente che non compromette solo l'affidabilità dell'auto, ma anche la sicurezza, e in modo critico), è sempre bene seguire la procedura corretta e un'attrezzatura quanto più possibile professionale e di qualità. Per questo, sul sito della Ate, brand con storia secolare nel mondo dei freni e parte del Gruppo Continental dal 1998, è possibile cercare l'attrezzatura corretta per ogni lavoro principale, nonché ricambi Ate certificati per freni, frizioni e sistemi frenanti.

Vista la delicatezza dell'impianto frenante, è sempre una buona idea rivolgersi ad un professionista, che sa alla perfezione cosa sta facendo ed è in grado di eseguire riparazioni in fretta e con perizia. Per trovare uno specialista in materia di freni, il sito Ate permette di trovare quali officine sono autorizzate dal brand tedesco, ovvero che fanno parte del network Ate BrakeCenter. Questa rete di centri offre prodotti e servizi di alta qualità per i sistemi di frenatura dell'auto. Il network Ate è formato da centinaia di centri specializzati, da officine selezionate e formate da Ate per fornire assistenza tecnica, installazione, manutenzione e riparazione dei prodotti. I centri autorizzati Ate BrakeCenter si possono cercare cliccando su un apposito link, che permette di trovare tra i più di 300 centri presenti in Italia quello più adatto alle proprie esigenze.

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