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    intarder retarder

    I sistemi di frenatura ausiliaria: Aquatarder, Intarder & Retarder

    I sistemi di frenatura ausiliaria sono dei sistemi indipendenti dal classico e comunemente conosciuto sistema frenante, il quale agisce direttamente sulla ruota mediante (disco o tamburo). Nei mezzi industriali, specialmente nei veicoli pesanti destinati al trasporto, il sistema ausiliario risulta essere fondamentale per garantire efficienza frenante in qualsiasi condizione esterna. Non è possibile affidarsi al solo impianto frenante durante la fase di decelerazione per due motivi: L’elevata usura delle componenti nell’uso continuo e prolungato e gli elevati costi di sostituzione di disco e pastiglie freno.

    Il sistema ausiliario evita, a differenza del sistema frenante, il surriscaldamento delle componenti per sovraccarico termico. Il sovraccarico si realizza nel momento in cui le componenti d’attrito soggette a continuo strisciamento rimangono a contatto per tempi prolungati. L’efficienza frenante cala per via di questo fenomeno, chiamato Fading.

    Tipologie e differenze:

    Retarder
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    I sistemi di frenatura ausiliaria “prolungata” sono definiti rallentatori.

    I rallentatori possono essere: primari o secondari, in base alla posizione che ricoprono nell’accoppiamento degli organi meccanici.

    Rallentatori Primari:

    I primari sono montati fra motore e scatola del cambio. Hanno il vantaggio di essere caratterizzati da una rapida risposta in tratti di ripida pendenza e condizioni di bassa velocità.
    Lo svantaggio riguarda l’interruzione del processo di decelerazione nelle condizioni di cambio del rapporto di velocità (nei motori a cambio manuale).

    Rallentatori Secondari:

    I secondari invece sono montati fra scatola del cambio e assi di trasmissione della potenza. Efficienti nelle condizioni di frenata prolungata ad alte velocità e percorsi in salita.

    Ulteriore distinzione la si fa parlando di modalità di funzionamento. Possiamo trovare rallentatori idrodinamici (o idraulici), elettrodinamici (o elettromagnetici).

    Gli Idrodinamici si suddividono in rallentatori che sfruttano come fluido operativo olio del cambio e quelli che utilizzano l’acqua del sistema di raffreddamento, gli Aquatarder.

    Retarder, Idrodinamici o idraulici:

    Ad olio:

    I rallentatori idrodinamici sono composti: da un rotore, un moltiplicatore, uno statore, un circuito idraulico per l’olio del cambio, un controllo elettronico gestito dalla centralina e un comando idraulico di azionamento con relativa pompa di ammissione del fluido.

    Funzionamento:

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    Il conducente nelle condizioni di frenata prolungata decide egli stesso di azionare il retarder olio-dinamico mediante una leva manuale posta sul volante o controllata in proporzione alla pressione esercitata dal piede sul pedale del freno.

    La centralina, in base alle informazioni elaborate dai sensori e dalla pressione sul pedale, calcola la pressione e la quantità d’aria da inviare nel circuito idraulico del retarder. L’aria spinge l’olio presente nel circuito in una particolare zona del retarder: tra rotore e statore.

    Il rotore spinge l’olio in circolo nel sistema retarder, successivamente il fluido entra nelle varie fessure del palettamento dello statore. Quest’ultimo reindirizza il fluido al rotore creando interferenza nella rotazione del rotore stesso: si viene a creare una coppia frenante mediante i differenti versi di rotazione del rotore (mediante fluido).

    La coppia frenante è trasmessa agli assi di trasmissione a valle del cambio mediante un moltiplicatore di velocità, che amplifica l’effetto e decelera il mezzo pesante.

    Particolarità:

    Durante il funzionamento viene trasformata energia meccanica dell’albero in energia cinetica per accelerare e il fluido nel circuito fino a raggiungere lo statore. Successivamente abbiamo una trasformazione di energia cinetica (frenante) del fluido in energia termica, nel momento in cui il fluido sviluppa la coppia frenante necessaria per decelerare.
    Il fluido aumenta la propria temperatura e pertanto il sistema dovrà essere munito di uno scambiatore di calore acqua-olio integrato al retarder, per far sì che la temperatura sia tenuta sotto controllo.

    Ad acqua, Aquatarder

    Aquatarder
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    Il sistema funziona analogamente al retarder ad olio, la differenza sta nel fluido operativo. Gli Aquatarder sfruttano, per l’appunto, acqua.
    L’acqua fluisce continuamente tra statore e rotore, creando resistenza al moto di rotazione del rotore. Le temperature divengono elevate e il raffreddamento avviene mediante il passaggio del fluido nel circuito di raffreddamento.

    Il sistema è maggiormente utilizzato da Mercedes. Garantisce minor peso, minor ingombro ed efficienza per via della mancata usura e sovratensione termica.

    Retarder, Elettrodinamici o Elettromagnetici:

    retarder elettrodinamici
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    I rallentatori elettrodinamici sono composti da: statore fisso con bobine dell’eccitatore e una coppia di rotori solidali all’albero di trasmissione che li mette in rotazione.

    Funzionamento:

    Rotori e statore sono calettati sullo stesso asse a distanza data, definita “traferro“, che evita qualsiasi contatto minimizzando l’usura.

    Durante la fase di frenata, la centralina aziona un controllo elettronico che immette corrente nelle bobine dell’eccitatore. La dipendenza studiata tra i fenomeni elettrici e magnetici, ci portano a concludere che a tal corrente (nelle bobine), corrisponde un campo magnetico che a sua volta induce correntiparassite” nei rotori. Questi campi elettro-magnetici creano interferenza tra loro. Si crea un momento frenante lungo l’asse di trasmissione in cui sono calettati rotori e statore.

    Il momento frenante aumenta all’aumentare dell’eccitazione delle bobine dello statore. Tutto in funzione di quanta pressione vien fatta sul pedale del freno (o livello di azionamento della leva manuale).

    Statore
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    Lo statore è l’elemento induttivo ed è caratterizzato da una serie di elettromagneti. Questi ultimi, una volta attraversati da corrente continua, generano campi magnetici in grado di produrre correnti parassite (indotte) nei rotori.

    Difetti & Particolarità:

    I retarder elettrodinamici presentano momenti frenanti elevati a bassi numeri di giri, a differenza di quelli idro-dinamici. Tuttavia, a differenza di quest’ultimi, all’aumentare del carico termico del rallentatore elettro-dinamico, crolla l’efficienza frenante.

    L’efficienza nei retarder crolla in funzione dell’aumento della temperatura. Il perché?
    I sistemi sono progettati in modo tale da evitare che si inneschi un incendio per temperature troppo elevate.

    aquatarder
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    Dischi freno

    Dischi freno: dalla ghisa ai compositi

    I dischi sono un componente fondamentale per gli omonimi impianti frenanti, detti appunto freni a disco. Questi sono composti da un disco che ruota solidale alle ruote. Al momento della frenata una pinza si stringe sui lati del disco che viene bloccato. I dischi, escludendo quelli in acciaio di applicazione motociclistica, possono essere realizzati utilizzando tre diversi materiali: la ghisa, il carboncarbon o il carbonceramico. Ogni materiale naturalmente ha caratteristiche diverse e viene scelto in base all’uso che si desidera fare dei dischi.

    Dischi in ghisa: modesti ma economici

    La ghisa è il materiale più utilizzato per la produzione dei dischi freno ed è stato anche il primo ad essere introdotto. Questi prodotti sono montati sulla totalità dei veicoli commerciali e su gran parte delle auto stradali. Sostanzialmente un disco viene prodotto per fusione, successiva solidificazione e verniciatura finale. L’intero processo non richiede più di un paio d’ore, elemento fondamentale per la grande produzione. I materiali prescelti sono ghise grigie lamellari che possono essere ad alto o basso tenore di carbonio.

    I principali vantaggi dei dischi realizzati in ghisa sono senz’altro l’economicità e la rapidità di produzione. Inoltre il processo industriale di produzione non è particolarmente complesso. Se consideriamo un mercato legato alle normali auto stradali le prestazioni di questi componenti sono pienamente sufficienti, anche se non elevate. Particolare non trascurabile è la possibilità di utilizzare l’impianto frenante anche a freddo, senza doverlo prima portare in temperatura. Naturalmente non sono esenti da svantaggi in quanto le caratteristiche chimico-fisiche non sono delle migliori. Il disco ha tendenza a deformarsi e bassa resistenza alla corrosione. Di contro, la conducibilità termica è buona.

    Composito carbon-carbon

    Si tratta della prima alternativa ai dischi realizzati in ghisa ed è stato introdotto alla fine degli anni ’70. La prima applicazione è stata di tipo militare: serviva infatti per i freni dei carrelli dei jet in atterraggio. In seguito l’idea è stata estesa agli aeri di linea e solo dopo anni è approdata in ambito automobilistico con la Formula 1. Ad oggi si tratta ancora di un prodotto di nicchia utilizzato nel mondo delle corse (Formula 1, Moto GP e pochi altri).

    Si tratta di un materiale composito formato da una matrice in carbonio rinforzata in fibra di carbonio. Si parte tessendo la fibra di carbonio formando un feltro a bassa densità. Per aumentare questo parametro viene immersa in una sospensione liquida di carbonio (pece). In seguito la cosiddetta “preforma” viene investita da un flusso di Metano a temperatura e pressione ben definite. Sulla superficie rimane così del carbonio amorfo che costituisce la matrice. Infine sono previsti trattamenti termici e antiossidanti.

    Vantaggi e svantaggi

    Il problema è che questo procedimento è molto lungo e produrre un disco di questo tipo richiede dieci mesi. Questo perché è importante evitare che il carbonio della matrice si depositi solo in superficie e non avvolga tutte le fibre. I vantaggi di questi dischi sono la sue estrema leggerezza e la bassa espansione termica. Le proprietà di questo materiale sono direzionali e il carbon-carbon può essere progettato in base alle necessità per quanto riguarda la conducibilità termica. La procedura di diverso orientamento delle fibre avviene già nel feltro tramite degli aghi e viene detta “needling“. Il coefficiente di attrito di questi dischi è molto alto, così come la resistenza alla corrosione. Tutto ciò garantisce costanza nei rendimenti ad alte prestazioni.

    Purtroppo il processo di produzione è molto lungo ed elaborato e i dischi presentano notevoli problemi di usura. Il carbon-carbon infatti non è un materiale duro e va spesso sostituito. Presenta inoltre difficoltà nelle prestazioni a freddo e sul bagnato. Infatti il coefficiente di attrito scaldando i freni aumenta di cinque volte e di dieci se consideriamo la temperatura limite di frenata. Per tutti questi motivi sulle automobili stradali non è possibile adottare questa soluzione.

    Composito carbon-ceramico

    Viene introdotto alla fine degli anni 90 ed è un materiale composito con una matrice ceramica in carburo di silicio e un rinforzo in fibra di carbonio. Le sue applicazioni principali sono le auto stradali di lusso e/o sportive. Non viene utilizzato in ambito racing, ad esclusione di alcuni campionati monomarca. I suoi principali vantaggi sono la bassa densità e la bassa espansione termica. Il coefficiente di attrito è invece molto alto, così come la resistenza alla corrosione. Le sue prestazioni sono ottime anche a freddo, è stabile fino a 1300°C e resiste allo shock termico fino a 1700°C. Purtroppo anche in questo caso il costo è decisamente elevato e la conducibilità termica non è ottimale, seppur sufficiente.

    Il processo produttivo

    Mentre la matrice ceramica rappresenta la parte dura del materiale, la fibra di carbonio rende il disco molto elastico ed è distribuita in modo casuale. Essa consente alla struttura di non cedere per schianto poiché assorbe il più possibile l’energia liberata da eventuali cricche nella matrice ceramica. Il processo produttivo si compone di sette step. Viene per prima cosa realizzato un mix delle materie prime a freddo: fibra di carbonio e resina fenolica in polvere. Il tutto viene posto in uno stampo in Alluminio e pressato a caldo (150°C): intorno ai 110-120°C il materiale polimerizza. A questo punto si realizza la pirolisi: in presenza di azoto o argon viene riscaldato il disco che perde il 50% in resina come gas e il 20% in peso. Resta così il carbonio amorfo che poi formerà il carburo di silicio.

    Nelle porosità appena formate infatti viene fatto penetrare del silicio fuso a 1420°C che reagisce con carbonio amorfo e si forma il carburo di silicio. La fibra di carbonio a 450°C diffonderebbe come gas: per questo è necessario applicare un trattamento antiossidante tramite un sale. Infine vengono effettuate lavorazioni meccaniche per eliminare le asperità, viene montata la campana per il montaggio e vengono effettuati i controlli.

    Formula 1 2017: i circuiti più impegnativi per i freni

    “I rettilinei sono soltanto i tratti noiosi che collegano le curve.” La citazione dell’ex pilota di Formula 1 Stirling Moss sintetizza perfettamente il fascino che hanno le varie curve nelle corse automobilistiche. Nei vari tracciati, appunto, è impossibile trovare due curve praticamente identiche. Infatti, se anche alcuni parametri come la velocità di ingresso in curva, la pendenza o l’angolazione possono sembrare simili, ci saranno sempre altre variabili come la temperatura ed il grip a differenziarle.

    Per quanto riguarda i circuiti del Mondiale 2017 di Formula 1, i tecnici Brembo hanno stilato una classifica. Questa indica quelli più impegnativi per l’impianto frenante delle monoposto con una scala da 1 a 10, in base all’affaticamento prodotto sui freni.

    Dati Brembo Formula 1 2017: le variabili prese in considerazione

    Brembo, Formula 1, Classifica circuiti
    PH: brembo.com

    La classifica dei vari GP in base all’incidenza sulle frenate è nata combinando una serie di valori numerici e non sull’utilizzo e lo stress dei freni. Infatti, per esempio è totalmente diverso usare i freni sul circuito messicano Hermanos Rodriguez rispetto a quello inglese di Silverstone. In Messico la temperatura dell’asfalto raggiunge spesso i 50° C. I dischi sono costretti a lavorare spesso a temperature che arrivano a 1000° C. Per evitare problemi, Brembo ha creato un disco con 1400 fori che permettono una maggiore ventilazione. A Silverstone si ha un problema diametralmente opposto. Infatti, la temperatura dell’aria quasi mai sopra i 20° C può portare al “grazing” (vetrificazione) del materiale d’attrito e di conseguenza una non idonea performance in frenata.

    Classifica circuiti Formula 1 in base allo stress sui freni

    Disco Brembo, Formula 1
    PH: brembo.com

    I circuiti di Singapore, Città del Messico, Montreal e Abu Dhabi sono stati classificati “Very Hard” con il massimo valore su una scala da 1 a 10. Appena sotto con 9/10 c’è il circuito del Bahrain classificato “Hard” come anche i circuiti che hanno ottenuto 8/10. Si tratta di Baku, Melbourne, Sochi, Spielberg e Monza. Le piste classificate “Very Easy” (Silverstone, Suzuka e Interlagos) hanno comunque ottenuto 4/10 che indica comunque la possibile presenza di piccole criticità. L’innovazione tecnologica di Brembo ci permette di considerarli tranquillamente problemi di lieve entità.

     

    Classifica circuiti F1 Brembo
    PH: brembo.com

    Il numero di frenate per singolo giro, ad esempio non indica sempre un possibile maggiore stress per i freni. La pista di Montreal è classificata “Very Hard” con sole 7 frenate per giro. A Montecarlo, invece, i piloti devono frenare ben 12 volte ma la pista è stata classificata “Medium”. Questo perché nel circuito monegasco le staccate sono ben distanziate tra loro e permettono un buon raffreddamento dell’impianto frenante. Ciò non avviene a Montreal, dove le 7 staccate molto ravvicinate sono chiamate “stop and go” e non garantiscono un adeguato raffreddamento.

    L’influenza della potenza di staccata e della forza g di decelerazione

    Un’altra variabile da prendere in considerazione è rappresentata dalle decelerazioni massime affrontate. A Montecarlo le monoposto non arrivano mai a 300 km/h. Di conseguenza la forza g di decelerazione non va oltre i 4,7 g. L’opposto avviene a Monza perché ci sono ben 4 punti dove vengono raggiunti i 340 km/h. Ovviamente, la forza g di decelerazione raggiunge dei valori importanti. Anche la potenza di staccata incide sull’impianto frenante. Infatti, sul circuito di Sochi raggiunge i 2435 KwH e va oltre i 2000 in 6 punti del tracciato. A Monaco questo avviene solo in 2 curve, con un valore massimo di 2180 KwH. Da questi dati si evince che gli impianti frenanti delle monoposto di Formula 1 sono davvero complessi. Devono essere efficienti nelle condizioni più disparate e Brembo, grazie all’esperienza maturata negli ultimi anni, rappresenta un’azienda al top tra quelle che producono impianti frenanti per i grandi eventi automobilistici.

    grid le mans 2015 - Freni Brembo

    Impianti frenanti Brembo sempre piu’ leggeri, evoluti e performanti per la 24 ore di Le Mans

    La gara si corre dal 1923 sul circuito semi-permanente de la Sarthe, caratterizzato da frenate
    impegnative, soprattutto in prossimità delle due chicane che dividono il lungo rettilineo di
    Mulsanne, dove però gli impianti hanno la possibilità di raffreddarsi; risulta dunque fondamentale
    per i team riuscire a garantire che l’impianto resti sempre all’interno del corretto range di
    temperature di esercizio.


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