I moderni sistemi frenanti e di frenata assistita sono davvero impressionanti. I vari produttori competono tra loro per fornire le soluzioni di frenata più efficienti e confortevoli. Tuttavia, la strada per raggiungere le odierne soluzioni ingegneristiche è stata lunga.
I primi sistemi frenanti
L’importanza dei freni nelle auto moderne è indiscussa. L’impianto frenante è oggi uno dei più importanti sistemi automobilistici. Ma i freni non sono sempre stati così importanti. All’inizio dell’industria automobilistica gli inventori si sono concentrati sul capire come far funzionare l’auto piuttosto che su come fermarla. La resistenza interna delle macchine unita ad altri semplici mezzi erano gli impianti frenanti del giorno. Le prime automobili venivano fermate per mezzo di leve che premevano un tampone di legno sul cerchione della ruota o con altri mezzi frenanti utilizzati nelle carrozze. In effetti, le auto assomigliavano alle carrozze ne condividevano molte caratteristiche di design.
Non passò molto tempo, però, prima che si notasse che tali freni improvvisati non erano molto efficienti. Le pastiglie di legno si consumavano rapidamente a contatto con le ruote e non fornivano una potgrazie vad un metodo più efficiente. Sono stati utilizzati rivestimenti sempre più efficienti, ad es. in rame, che ha aumentato la forza di attrito. Tuttavia, avevano un difetto significativo: erano molto rumorosi a contatto con le ruote metalliche. Per rimediare a questo, sono stati ricoperti con materiali di attrito morbidi, ad es. amianto, cotone o gomma. Queste soluzioni però non permettevano alle auto di raggiungere velocità elevate.
Pneumatici: una nuova sfida per i freni delle auto
Lo sviluppo dei freni è stato largamente influenzato dai pneumatici. Fornivano un miglior comfort su terreni irregolari e consentivano di guidare a velocità più elevate, ma non funzionavano benecon le prime tipologie di freni. Un pad premuto direttamente contro uno pneumatico poteva funzionare su una bicicletta ma non su un’automobile molto più pesante. Quindi, è stato sviluppato un nuovo tipo di freno, nascosto all’interno della ruota. Contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, il freno a tamburo e il freno a disco sono stati concepiti più o meno nello stesso periodo.
Il primo freno a disco fu inventato nel 1902 da Frederic Wilhelm Lanchester, un ingegnere inglese, mentre il freno a tamburo fu brevettato da Louis Renault lo stesso anno. Anche altri ingegneri, tra cui Gottlieb Daimler e Wilhelm Maybach, avevano sperimentato i freni a tamburo, ma è stato il design della Renault a prevalere. Piuttosto che un tamburo in ghisa avvolto da funi, ha applicato una soluzione molto più efficace, ovvero le ganasce dei freni che spingono contro il tamburo. Questo tipo di freno è sopravvissuto fino ad oggi. Ovviamente non senza incontrare nuove modifiche.
Idraulica negli impianti frenanti
I primi freni per auto erano completamente meccanici e alimentati esclusivamente dalla forza muscolare del guidatore. Inizialmente, solo le ruote posteriori erano dotate di freni. Un’auto con freni su tutte e quattro le ruote non fu concepita fino al 1909. Ciò fu dovuto principalmente a causa di conoscenze ingegneristiche insufficienti che hanno ritardato l’invenzione di freni che garantissero la stabilità dell’auto. I tamburi grazie a cavi di acciaio, lavoravano con vari gradi di forza pertanto la sincronizzazione delle quattro coppie di ganasce rapresentava un problema.
Una svolta arrivò nel 1917, quando Malcolm Loughead, che in seguito divenne noto come Lockhead, brevettò i freni idraulici. Questo tipo di freni fu inventato per la prima volta dal tedesco Hugo Meyer nel 1895, ma non presero piede. I freni Lockead sono stati i primi freni idraulici prodotti in serie. L’applicazione di un fluido idraulico è cambiata molto. In primo luogo, è aumentata la forza frenante. In secondo luogo, è stato eliminato il problema della rottura e dell’allentamento dei cavi, per cui i freni sono diventati più comodi da usare. I primi freni idraulici erano noti per le perdite, ma erano molto più affidabili dei freni meccanici.
Alcuni anni dopo, nel 1928, fu aggiunta una funzione supplementare: l’assistenza alla frenata. Un servofreno utilizzava la pressione negativa generata nel sistema di aspirazione per aumentare la forza frenante. Dopo aver premuto il pedale del freno si azionava la pompa freno e una valvola rilasciava la depressione dal collettore di aspirazione. La differenza di pressione tra le due parti della membrana generava una forza che ha supportato ulteriormente il pistone della pompa principale. La forza era direttamente proporzionale a quanto veniva premuto il pedale del freno. In questo modo il conducente poteva controllare facilmente la forza frenante. Man mano che i freni diventavano sempre più efficienti, le auto potevano andare sempre più veloci.
Declino graduale dei freni a tamburo
I freni a tamburo hanno dominato l’industria automobilistica per molti anni. Puoi ancora incontrarli sull’asse posteriore di alcune auto piccole e non molto potenti, ad es. auto da città. Dovevano il loro successo al puro caso. Per quanto robusti, i tamburi sono resistenti alle diverse condizioni stradali e non sono così inefficaci come molti potrebbero pensare. Hanno però problemi con le elevate temperatura.
Il tamburo del freno ben chiuso rendeva difficile la dissipazione del calore. L’espansione delle ganasce dei freni richiedeva molta forza e l’applicazione di un tamburo grande e pesante. Anche i freni a tamburo erano difettosi. Sebbene fossero semplici nel design e avessero un alloggiamento chiuso, si inceppavano spesso, con conseguente surriscaldamento dei freni. Ciò comportava un’improvvisa perdita della forza frenante e di conseguenza generava situazioni pericolose per i guidatori. Fortunatamente, sono poi stati inventati i freni a disco.
Compressione, funzionamento dei freni a disco
Come molte altre nuove invenzioni, i primi moderni freni a disco hanno fatto il loro debutto nello sport. Nel 1993, una Jaguar XK equipaggiata con quattro freni a disco Dunlop vinse la 24 Ore di Le Mans. La rivoluzione degli impianti frenanti era iniziata.
A differenza delle guarnizioni dei freni in rame del 1902, le pastiglie moderne non cigolano e non si consumano così velocemente. Presto sarebbero stati applicati rivestimenti di attrito più avanzati, come ceramica, miscele semi-metalliche o kevlar. Dopo che l’amianto si è rivelato un materiale pericoloso per la salute, è stato subito abbandonato. Tutte le pastiglie dei freni sfruttano lo stesso vantaggio fondamentale del freno a disco: maggiore efficienza anche durante la guida dinamica.
La chiave è la dissipazione del calore dai freni a disco. Sono raffreddati dal vento, trasferiscono il calore ai cerchioni e possono inoltre essere dotati di speciali fori di ventilazione. Sono ideali per la guida in montagna, la guida dinamica e la frenata di emergenza. I pistoni esercitano una pressione sulla guarnizione di attrito e, di conseguenza, sul disco del freno. Sono anche più compatibili con i sistemi di assistenza alla guida come ABS o ESP. La compressione risulta essere un modo migliore per rallentare l’auto rispetto alla diffusione. I morsetti salgono sopra le ganasce.
Il futuro dei freni per auto
I centri di ricerca e sviluppo continuano i loro sforzi per progettare freni ancora più efficienti. Gli impianti frenanti continuano a cambiare in termini di materiali e design. Sempre più produttori utilizzano il cosiddetto schorching, ovvero riscaldamento a breve termine della superficie delle pastiglie dei freni a 600-800 ° C. Questo per aumentare la resistenza al cosiddetto. fading, ovvero una diminuzione dell’efficienza del rivestimento a causa della temperatura del freno. Sempre più attenzione è rivolta anche alla riduzione delle vibrazioni e dei freni stridenti. I cuscinetti di buona qualità sono dotati di uno strato intermedio che riduce i rumori e le vibrazioni.
Sembra che presto gli impianti frenanti avranno molto meno lavoro da fare rispetto ad oggi. Lo sviluppo delle auto ibride ed elettriche rende i sistemi di recupero energetico un’alternativa sempre più seria ai freni. I sistemi di recupero noti fino a poco tempo fa dalle vetture di Formula 1 stanno diventando sempre più popolari. L’energia generata durante la frenata non viene più trasformata in calore e irrimediabilmente dispersa, ma viene invece convertita in energia elettrica. Naturalmente, il recupero di energia non sostituirà i freni a disco convenzionali né sarà sufficiente durante le frenate brusche. Tuttavia, può facilmente ridurre l’usura dei dischi e delle pastiglie dei freni durante la guida quotidiana. Scopriremo presto se gli esperti avevano ragione nelle loro previsioni.