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    Servofreno

    Il servofreno: come amplificare l’azionante frenante

    Articolo a cura di Edoardo Frattini

    Il servofreno serve per amplificare la forza agente sul pedale del freno. Può essere posto, a seconda dello schema progettuale, prima della pompa idraulica, oppure dopo di questa. La sua presenza si traduce in un maggior comfort e minore sforzo da parte del guidatore associati ad una frenata più efficace.

    Funzionamento del Servofreno

    Il funzionamento del servofreno è legato alla differenza di pressione, che si viene ad instaurare al suo interno. Questo dispositivo è in grado di aumentare di almeno quattro volte la forza frenante impressa dal guidatore sul pedale del freno instaurando quella che comunemente viene anche detta “leva idraulica”.

    È costituito da una capsula pneumatica divisa in due camere e da un pistone di lavoro su cui è fissata una membrana elastica. Una della due camere è a pressione variabile e l’altra a pressione costante. Sul pistone di lavoro sono presenti dei fori che mettono in comunicazione le due camere quando il servofreno è a riposo.

    La camera a pressione costante è collegata, tramite innesto dotato di valvola di non ritorno, ad uno dei collettori di aspirazione del motore, nel caso esso sia ad accensione comandata. Invece è collegato ad una pompa a depressione nel caso questo sia un motore ad accensione spontanea.
    Questa si trova a pressione inferiore rispetto a quella atmosferica, mentre la camera a pressione variabile è separata dall’ambiente esterno mediante una valvola di controllo della pressione atmosferica. Valvola di controllo a sua volta dotata di una valvola di comando e di un pistoncino, tenuti in contatto da una molla.
    Quando il motore è acceso e il servofreno è a riposo le due camere risultano essere in depressione ed in comunicazione fra loro, il diaframma che è l’elemento di separazione risulta non deformato e sulle facce del pistone di lavoro agisce la stessa pressione.

    Servofreno
    PH: Tecnica dell’automobile, AA. VV. – Servofreno a depressione nella posizione di riposo.

    Cosa succede agendo sul freno?

    Azionando il pedale del freno, l’asta di comando viene spinta in avanti. L’avanzamento dell’asta ha due effetti: il pistoncino della valvola va a premere il disco di reazione e si apre la valvola dell’aria esterna. Se il pedale viene azionato parzialmente, si crea uno squilibrio di pressione fra camera a depressione e camera di lavoro, che va ad agire sul pistone, il quale viene spinto in avanti insieme al puntalino, finché la forza di reazione della pompa non raggiunge la stessa intensità evitando un comportamento di tipo on/off.

    Fermatosi il puntalino, il disco di reazione si espande, spingendo sul pistoncino della valvola e si chiude la valvola dell’aria esterna. La forza agente sul puntalino e sul pistone di lavoro rimane costante fino al rilascio del pedale. L’elemento principale è rappresentato dal cilindro, che è diviso dal pistone di lavoro in due corpi.

    In condizioni di riposo, come nella figura precedente, la depressione viene trasmessa attraverso il collegamento di depressione nel corpo di sinistra. Da qui, attraverso il condotto nella camera di lavoro, che è collegato con la pressione esterna e la valvola a depressione, anche nel corpo di destra. Pertanto il pistone di lavoro, sulle cui facce non insiste differenza di pressione, è spinto dalla molla di richiamo verso destra.

    Quando si agisce sul pedale del freno, un sistema di leveraggi fa spostare l’asta di comando verso sinistra determinando prima la chiusura della valvola e poi l’entrata dell’aria esterna nel corpo di destra attraverso la valvola dell’aria stessa.
    Lo stantuffo è così soggetto ad una differenza di pressione che incrementa la forza di spostamento verso sinistra e spinge lo stantuffo della Pompa tandem inviando liquido in pressione ai due circuiti, cioè alle ruote.

    Come termina l’azione frenante ?

    Se si mantiene costante l’azione sul pedale del freno, la reazione dello stantuffo idraulico determina lo schiacciamento della valvola a disco elastico. Conseguentemente la chiusura della valvola dell’aria proveniente dall’esterno. In questo modo lo stantuffo si stabilizza in una posizione intermedia. Risultano così chiusi sia il collegamento con il condotto in depressione sia il foro di passaggio dell’aria a pressione atmosferica.

    Infine, quando cessa l’azione sul pedale, lo stantuffo si sposta verso destra sotto l’azione della molla. Determinando prima la chiusura della valvola dell’aria esterna e poi l’apertura del condotto in depressione.

    Pinze freno stampate in 3D: Bugatti ci prova

    Da qui a qualche anno troveremo sempre più componenti meccanici e automobilistici prodotti con una stampa 3D (tra cui pinze freno). Infatti è elevato il numero di aziende, automobilistiche e non, che già fanno uso di tale tecnica. Molte invece si stanno organizzando per indirizzare ricerca e sviluppo,  di fatto per incorporare la stampa 3D nelle loro linee di assemblaggio.

    Pinza freno in titanio della Bugatti
    PH: 3d4growth.com

    Stampa 3D di metalli

    Qualcuno di voi si starà chiedendo di che materiale possano essere fatte delle pinze freno stampate in 3D. Tranquilli, non parliamo né di polimeri né di filamenti biodegradabili, bensì del titanio.

    In generale si parte da una fine polvere di metalli composta in gran parte da titanio (circa 90%) e dalla restante parte di vari additivi, tra cui l’alluminio. La stampa poi è ottenuta per mezzo di fusione laser: sostanzialmente il raggio laser porta localmente la polvere di metallo al suo punto di fusione (almeno 1600 °C data la presenza del titanio), per creare poi l’oggetto desiderato, strato dopo strato.

    Pinza freno in titanio della Bugatti
    PH: bugatti.com

    Ma veniamo alle pinze…

    In precedenti articoli vi avevamo già parlato di Bugatti (Bugatti ChironBugatti Divo) e di come punti sempre ad eccellenze anche al di fuori dell’ordinario. Ancora però non avevamo trattato l’idea innovativa delle pinze freno, di circa un anno fa.

    La stampa 3D di una pinza è piuttosto impegnativa e dura circa 45 ore, dopo le quali il pezzo viene sottoposto a trattamenti termo-chimici e di ricottura che ne migliorano le caratteristiche meccaniche.

    Questo sembra essere un altro successo per Bugatti, che si aggiudica il primato per la prima pinza freno prodotta in 3D, nonché l’oggetto di uso automobilistico in titanio più grande mai prodotto con l’ausilio di tale tecnica. Per la produzione sono infatti serviti 2213 strati per completare un pezzo da 41 cm di lunghezza, 21 cm di larghezza e 13.6 cm di altezza.

    Rispetto alle tradizionali pinze in alluminio, quelle in titanio arrivano a pesare fino al 40% in meno, passando da 4.9 kg a 2.9 kg. Così facendo si passa da una rigidezza di 70 GPa tipica di leghe di alluminio, fino ai 110-120 GPa per alcune leghe di titanio, raddoppiando quasi la capacità di opporsi alle deformazioni elastiche. Inoltre non dovrebbero manifestarsi fenomeni di ossidazione essendo noto come un materiale particolarmente resistente alla corrosione.

    Qui sotto potete vedere come variano le temperature del disco durante la frenata: si passa da temperature di 400 °C all’inizio della frenata, fino agli oltre 1000 °C per arrestare completamente il veicolo. Ovviamente anche le pinze freno devono resistere a tali temperature, infatti il titanio è un materiale che sopporta stress termici simili.

    Pinza freno in titanio della Bugatti
    PH: bugatti.com
    Pinza freno in titanio della Bugatti
    PH: bugatti.com
    Pinza freno in titanio della Bugatti
    credit: bugatti.com

     

    Quello che si pensa a riguardo

    Frank Goetzke, capo del dipartimento delle Nuove Tecnologie in Bugatti, sostiene che lo sviluppo della auto debba essere un processo senza epilogo. Infatti ritiene che:

    ” Questo è particolarmente vero alla Bugatti. Nel nostro continuo lavoro di sviluppo pensiamo sempre a come i nuovi materiali e processi possano essere usati per rendere ancora migliori i nostri modelli. Le nostre richieste sono spesso ai limiti concessi dalla fisica. Per questo Bugatti arriva sempre un passo avanti agli altri costruttori nello sviluppo di soluzioni tecniche “.

    Tra freni Brembo e Ferrari: uno sguardo ad eccellenze italiane

    Della Ferrari 488 (e delle sue versioni) già vi avevamo parlato in precedenti articoli (Ferrari 488 pistaFerrari 488 Aerodinamica). Ancora però non avevamo trattato il sistema frenante, dominato dall’impianto Brembo.

    Freni Brembo
    PH: brembo.com

    Un po’ di storia

    Sono oltre 40 gli anni di collaborazione tra Ferrari e Brembo; tutto ebbe inizio negli anni ’70, con forniture per i Gran Premi di Formula 1. Da allora la partnership ha continuato ad alimentarsi, rendendo Brembo fornitore anche dei campionati Gran Turismo e delle serie del Ferrari Challenge. Di questo passo il legame tra le due aziende è diventato così solido che, ad oggi, gli impianti frenanti Brembo sono montati su tutte le Ferrari stradali.

    Negli ultimi anni a far da protagonista al Ferrari Challenge, campionato monomarca più ambito, è stata proprio la Ferrari 488.

    Brembo consiglia…

    Brembo ritiene che ci siano alcuni punti fondamentali su cui prestare attenzione. Proveremo quindi a parlarvi di esclusività, prestazioni, controllo e stress termico.

    Freni Brembo
    PH: brembo.com

    Esclusività

    L’unico campionato monomarca le cui vetture partecipanti utilizzano dischi in carbonio ceramico Brembo è appunto il Ferrari Challenge. Questo materiale, rispetto al classico carbonio, è più reattivo e non necessita di particolari range di temperatura per fornire frenate efficaci. Già all’uscita della pitlane i piloti possono operare decise frenate, ancora prima di aver scaldato l’impianto.

    Prestazioni

    Il V8 da 3900 cm3 della 488 riesce a sprigionare fino a 670 cavalli che permettono di raggiungere velocità dell’ordine dei 300 km/h. E’ necessario che le pinze Brembo garantiscano frenate efficienti: infatti è possibile passare dai 270 km/h ai 60 km/h in circa 5 secondi.

    Queste prestazioni in frenata sono garantite da pinze a 6 pistoni all’anteriore e a 4 al posteriore; lo sforzo richiesto ai piloti è notevole a causa dei quasi 2g di decelerazione.

    Controllo

    Il controllo che Brembo dedica all’impianto frenante è particolare. Il materiale carboceramico infatti non permette di trarre precise conclusioni dall’analisi superficiale o dal controllo dello spessore. In questa situazione si rende utile un software di gestione Ferrari che controlla, per mezzo di un algoritmo, il consumo e indica quando sia necessaria la sostituzione.

    Analogamente anche le pastiglie Brembo sono equipaggiate con sensori di usura.

    Stress termico

    Lo stress termico a cui è soggetto l’impianto frenante è decisamente elevato. In casi estremi infatti vengono raggiunte temperature di oltre 1000 °C, ben notabili anche dagli spettatori grazie alla colorazione assunta.

    Freni Brembo
    PH: brembo.com

    D’altra parte questi freni sono esenti dall’effetto fading, ossia da una perdita di efficacia frenante ad elevate temperature. Infatti il carbonio, al contrario dell’acciaio, è caratterizzato da un coefficiente di attrito considerevole anche a tali temperature.

    Inoltre le Ferrari 488 Challenge dispongono di un ABS mappato in maniera differente rispetto alle Ferrari stradali poiché deve risultare più reattivo per le attività in pista.

    Vantaggi e Svantaggi dei dischi in carbonio

    Rispetto ai tradizionali dischi in acciaio, quelli carboceramici arrivano a pesare fino al 50% in meno, riducendo di fatto la totalità delle masse non sospese; questo comporta una guidabilità migliore, risparmio di carburante e anche una minor usura degli pneumatici. Inoltre sono molto duraturi: essendo il materiale molto duro, i freni sono caratterizzati da un ciclo di vita che supera facilmente i 100.000 km nel caso di veicoli stradali, durante la quale corrosione e generici danni vengono ridotti al minimo.

    Freni Brembo
    PH: brembo.com

    D’altro canto per la realizzazione di un disco in ceramica è richiesto un processo ad alto contenuto tecnologico. Questo si traduce anche nel fatto che un impianto completo possa arrivare a costare fino a 10.000 €. Considerando la difficoltà di realizzazione e la necessità di omologazione da parte della casa automobilistica, non è possibile nemmeno il montaggio after market. Per di più i freni ceramici devono essere coadiuvati da una centralina elettronica per verificarne costantemente l’usura.

    Fonti: brembo.com

    braking test

    Da 100 a 0 Km/h: quali sono le vetture e i sistemi di frenatura più efficienti?

    Si è soliti far riferimento alle schede tecniche per comparare due o più veicoli. I fattori da tener presente sono svariati e molto spesso si trascurano dati come: carico aerodinamico, carico complessivo del veicolo, specifiche tecniche del singolo propulsore, sospensioni e tipologie, qualità delle componenti legate alla trasmissione di potenza, bilanciamento etc. E’ anche vero però che molti di questi fattori possono essere trascurati se si va a confrontare nel complesso ciò che il veicolo, in seguito a una lunga e attenta fase di progettazione e sviluppo, è in grado di garantire.

    Abbiamo in precedenza analizzato e stilato una classifica dulle auto più e meno affidabili sul mercato. Oggi invece analizzeremo uno dei dati più importanti delle schede tecniche: 0-100 Km/h? No, bensì l’esatto opposto. La potenza è irrilevante se non vi è un buon sistema efficiente nella fase di frenata.
    Da 100 a 0 Km/h: quali sono le vetture e i sistemi di frenatura più efficienti da questo punto di vista? E perché?

    Brembo: Ancora leadership?

    PORSCHE brembo
    brembo.com

    Come ogni test che si rispetti, la modalità di raccolta dei dati dev’essere standardizzata. Il test si svolge con due persone a bordo di ciascuna auto. Si scaldano i freni con nove frenate decise e intense; la decima è quella valida per la misurazione. Il perché? L’efficienza frenante varia da vettura a vettura, da sistema a sistema; garantendo il raggiungimento di temperature in modo rapido o lento, con materiali più o meno duttili. Tutto ciò non condiziona l’efficienza complessiva dell’impianto frenante, pertanto questi dati fanno riferimento al carico di lavoro che, complessivamente, dovrà sopportare la vettura in questione.

    Assoluta leadership per Brembo, la quale, ancora una volta, segna record nel suo campo: 40 delle 50 migliori vetture performanti dai 100-0 km/h sono equipaggiate con dischi e/o pinze freni Brembo.

    Classifichiamo:

    La classifica, nonché l’intera indagine è stata condotta dai tecnici della rivista tedesca Auto Motor Und Sport. I simboli in rosso indicano il tipo di equipaggiamento Brembo della vettura. Partiamo dalle ultime 25 posizioni:

     

    brembo
    brembo.com

    Chi vincerà il confronto?

    A dominare la classifica con soli 30,7 metri è la Porsche 911 GT3 991: unica supercar a rimanere sotto i 31 metri. Essa è equipaggiata con dischi da 410 mm (di diametro) all’anteriore e 390 mm al posteriore. Inoltre, pinze freni fisse a monoblocco in alluminio a 6 pistoncini (anteriore) e 4 pistoncini (posteriore).

    brembo
    brembo.com

    Ancora Brembo: al terzo posto Ferrari F12 Berlinetta e Ktm X-Bow GT, con Brembo, firmano i 31,3 metri ottenuti nel test.

    La “capostipite” delle 12 cilindri è dotata di freni carbo-ceramici di terza generazione con 398 mm all’anteriore e 360 mm al posteriore. L’austriaca Ktm ha rivoluzionato l’ottica del mondo delle supercar con i suoi dischi autoventilanti Brembo di ultima generazione e misure contenute: 305 mm all’anteriore e 262 mm al posteriore.

    Perché Brembo?

    La Top10 è dominata da Brembo. Le motivazioni sono semplici e chiare: Brembo dispone di 40 anni di esperienza su tracciati e competizioni di resistenza Endurance, sviluppando negli anni la miglior tecnologia sul mercato. Per non finire c’è da considerare anche un know-how unico: conoscenze nel proprio ambito che permettono di realizzare dischi, pinze, pompe freno e pastiglie di altissima qualità.

    brembo
    brembo.com

    Nel 2014 Brembo ha equipaggiato le monoposto vincitrici dei campionati mondiali di Formula 1, GP2, GP3 e la storica 500 Miglia di Indianapolis. Non solo: Brembo ha equipaggiato anche le grandi GT nella 24H di Le Mans, Mondiale Endurance e GT3 Blancpain.

    Per rivivere il faticoso lavoro svolto dai tecnici e ingegneri Formula 1 nei circuiti impegnativi per i freni, date un’occhiata a questo articolo:
    ==>circuiti impegnativi Brembo formula 1

    Soprattutto le tedesche?!

    Le tedesche dominano la classifica con ben 25 modelli, vale a dire metà classifica è legata alla Germania. 13 vetture Porsche, 5 Audi, 3 Mercedes, 2 BMW e supercar meno famigerate come Artega e Wiesmann rientrano in questo ulteriore record.

    Il 92% delle auto tedesche inserite nella Top 50 adotta freni Brembo.

    Passiamo ad una classifica a nazioni: #nonsologermania fortunatamente.

    brembo
    brembo.com

    L’Italia non è del tutto persa, anzi: Ben 10 modelli garantiscono un ottimo 100-0 km/h. Gli Alfisti e non solo, avranno di certo notato che non si è menzionato per niente la nuova Alfa Romeo Giulia, uno dei modelli di auto sportive che ha fatto tanto parlare di sé. Una degna rivale delle ormai note tedesche Audi, Porsche e BMW.

    brembo alfa romeo giulia
    brembo.com

    La Brembo ha previsto per la sportiva della casa del Biscione un’impianto frenante di serie che solo pochissime vetture stradali possono vantare. Il sistema di frenatura dell’Alfa Romeo è chiamato High-performance Brembo Brake System: Dischi freno flottanti ventilati co-fusi da 360 mm (anteriore) e 350 mm (posteriore).

    I dischi freno flottanti hanno una pista frenante realizzata in due pezzi. La pista frenante è libera di muoversi assialmente (alla ruota) e delle volte anche radialmente rispetto al cestello. Ciò permette in caso di leggera deformazione della pista, a causa del troppo calore assorbito dal materiale del disco in fase di frenata, di auto-allineare la pista frenante tra le pastiglie, garantendo efficienza frenante a scapito della resistenza agli sforzi.

    Oltre alla tecnologia High-performance, l’Alfa Romeo Giulia utilizza l’innovativo sistema di frenata IBS, Integrated Brake System. Per approfondire la straordinarietà del sistema frenante e non solo della Giulia, vi consiglio la lettura di questo approfondimento:
    ==> Alfa Romeo Giulia: La “bellezza necessaria”

    Per approfondire invece i materiali adottati e le proprietà di quest’ultimi:
    ==> Dischi freno: dalla ghisa ai compositi

    Inoltre:

    Chevrolet Corvette Grand Sport
    brembo.com

    La Corvette Grand Sport ha pinze freno anteriori molto particolari: sono in monoblocco di alluminio lavorate a macchina utensile partendo da un grezzo a blocco di alluminio fuso. Tale tecnica garantisce una rigidità e minor deformazione agli alti carichi senza eguali.


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