Freno

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Il freno è un dispositivo utilizzato per rallentare o bloccare il movimento di un corpo. Si distinguono vari tipi di freni, sia per il modo con cui vengono azionati (freno a mano o a pedale), sia in base al principio di funzionamento (freni meccanici, idraulici, aerodinamici, elettrici e pneumatici). I freni meccanici a loro volta si dividono in freni a ganasce, freni a disco e freni a cono.

Classificazione[modifica | modifica wikitesto]

I freni vengono classificati a seconda delle loro caratteristiche strutturali.

Freni meccanici[modifica | modifica wikitesto]

Questi freni quando agiscono generano un'usura del freno, dato che sfruttano l'attrito radente.

Tamburo[modifica | modifica wikitesto]

Il freno a tamburo è semplice ed economico ed è stato impiegato per molto tempo su auto, moto e automotrici ferroviarie, ma ha dovuto cedere il posto al freno a disco, abbandonando prima le moto e quindi le automobili. Esistono ancora mezzi che adoperano questo tipo di freno, ma generalmente appartengono alle fasce più basse, sia che si parli di moto che di auto: fra i motocicli il tamburo viene utilizzato negli scooter di bassa cilindrata per la ruota posteriore; per quanto riguarda le automobili, è frequentemente scelto come soluzione per le utilitarie (sempre al posteriore) per motivi di economicità e per via della massa ridotta del mezzo, che non obbliga all'impiego di impianti di grandi prestazioni.

I freni a tamburo si classificano in base al numero di ceppi, ovvero delle parti che vanno a contatto con il tamburo, e in base alla loro posizione rispetto al tamburo stesso.

Ceppi e guarnizioni di un freno a tamburo.
Numero di ceppi del tamburo[modifica | modifica wikitesto]

Il numero di ceppi per tamburo varia da un minimo di uno ad un massimo di due e a seconda del numero varia la forza impressa al tamburo.

  • Ceppo semplice:

Questo è il tipo più semplice di freni. Consiste in un piccolo ceppo di forma rudimentale adattato alla parte circolare del tamburo. Collegata al ceppo vi è una leva che, azionata, preme il ceppo contro il tamburo con molta forza.

  • Ceppo doppio:

Ai due lati del tamburo vengono montati due ceppi rudimentali. La leva agisce simultaneamente su entrambi, questo è il tipo di ceppo che viene utilizzato nel caso si adotti un freno a tamburo, per la maggiore capacità frenante.

Disposizione dei ceppi sul tamburo[modifica | modifica wikitesto]

I ceppi oltre che per numero si dividono anche per posizione rispetto al tamburo, che ne differenzia per costi, prestazioni e resistenza agli agenti esterni.

  • Ceppo esterno:

Molto simile al freno a doppio ceppo, è montato sulla parte esterna del tamburo. I ceppi esterni sono più lunghi dei tipi precedenti e ricoprono completamente la superficie del tamburo. Una maggiore superficie frenante aumenta l'efficienza.

  • Ceppo interno:

I ceppi sono montati sulla parte interna del tamburo e premono verso l'esterno contro la superficie interna. Questo freno ha il vantaggio di essere protetto dall'acqua e dal fango, e di poter essere applicato in entrambi i sensi di rotazione. Questo tipo di freno è quello che viene adoperato su motoveicoli e autoveicoli.

Nastro[modifica | modifica wikitesto]

È un nastro metallico e flessibile, con un rivestimento interno per l'attrito, viene fissato ad un lato, avvolto sul tamburo e collegato ad una leva. I due estremi del nastro vengono quasi a toccarsi in modo da dare il massimo effetto frenante. Questo tipo di freno è spesso usato negli impianti di montacarichi e trasporto pesante come gli autobus. Venne utilizzato anche sulle locomotive ferroviarie a cremagliera

Freno a disco[modifica | modifica wikitesto]

Freno a disco

Il freno a disco differisce da tutti i freni già menzionati ed è la soluzione su cui si orientano ormai da anni tutte le case produttrici di mezzi di trasporto siano essi auto, moto o autocarri

La frenata avviene per la trasformazione dell'attrito in calore grazie alla pressione, generalmente ottenuta idraulicamente, degli elementi di frizione dette pastiglie ai lati del disco. I freni a disco hanno il vantaggio di dissipare rapidamente il calore che può essere molto elevato quando vengono usati a lungo.

Freni non meccanici[modifica | modifica wikitesto]

Questi freni agiscono senza che ci sia usura del freno, dato che non sfruttano l'attrito radente, ma altre forme d'attrito; generalmente hanno un andamento esponenziale con il crescere della velocità.

Freno Prony o dinamometrico[modifica | modifica wikitesto]

Per misurare la potenza di un albero motore si fa uso di uno speciale freno simile a quello a nastro. Le due estremità del nastro sono collegate con un indice. L'albero del motore preme il nastro e fa deviare l'indice. La lettura della scala, la circonferenza e la velocità dell'albero sono i fattori necessari per determinare la potenza del freno.

Freno rigenerativo[modifica | modifica wikitesto]

Questo tipo di freno (detto anche freno elettrodinamico) è generalmente applicato sull'albero motore di grandi camion, autobus, filobus e treni e si basa su un generatore elettrico. L'albero motore del generatore è montato direttamente sull'albero di trasmissione del veicolo, formando un unico albero; al momento della generazione di corrente da parte del generatore, questo imprime una coppia resistente sull'albero di trasmissione producendo, di fatto, un'azione frenante.

Un inconveniente del freno rigenerativo sta nella necessità di esperienza e accortezza nel suo utilizzo, in quanto, nel caso d'un azionamento troppo rapido e di elevato sforzo, si rischia la rottura dell'albero motore. Esiste però un indubbio vantaggio, quello di non arrivare mai al completo bloccaggio delle ruote, dato che diminuendo la velocità diminuisce automaticamente anche la forza frenante (si noti che lo slittamento tra ruota e suolo può comunque avvenire per differenza di velocità, portando comunque allo spiattellamento della ruota).

Freno motore[modifica | modifica wikitesto]

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. Questo freno viene utilizzato principalmente nelle lunghe discese, in quanto permette di frenare maggiormente il veicolo senza sollecitare troppo l'impianto di frenatura. Tale sistema viene utilizzato, in alcuni paesi, anche nelle locomotive diesel in caso di linee con pendenze rilevanti, al fine di evitare il surriscaldamento dell'impianto frenante.

In gergo comune l'espressione "freno motore" indica talvolta erroneamente l'azione di rallentamento del veicolo ottenuta scalando i rapporti del cambio (passando da una marcia alta a una più bassa) in modo da innalzare il regime di rotazione del motore, effetto comunque presente anche nei motori sprovvisti del dispositivo propriamente detto.

Freno aerodinamico[modifica | modifica wikitesto]

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 Redution System), che viene utilizzato per lo scopo opposto. Viene di fatto ottenuto un freno aerodinamico anche dai piloti di moto da gran premio che sono soliti esporre il busto dalla carenatura all'inizio della staccata (punto di rilascio gas e inizio frenata): questa operazione genera un grosso carico sugli avambracci che debbono essere ben saldi al manubrio ma permette di aiutare in modo sensibile la decelerazione della moto.

Freno magnetico[modifica | modifica wikitesto]

Freno a pattino utilizzato in campo tramviario e ferroviario. Si presenta principalmente in due tipologie.
Nella prima il pattino va a contatto con la rotaia metallica a causa dell'attrazione tra i due elementi, la frenatura è di tipo ad attrito e la forza frenante sarà proporzionale alla forza d'attrazione tra i due corpi; la sua efficacia è maggiore di quella del freno tradizionale poiché l'azione di compressione tra pattino e rotaia può superare il peso del veicolo stesso e quindi consentire l'espressione di una forza di aderenza maggiore di quella naturale espressa dalle ruote.
Nella seconda tipologia 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. È di impiego comune in diversi tipi di attrazioni per parchi di divertimento.

Modalità di frenata[modifica | modifica wikitesto]

La frenata può essere di diverso tipo:

  • Differenziata: ogni freno o asse di frenata è comandato da un apposito comando (l'esempio tipico lo si ha con le moto ma anche con gli aerei)
  • Integrale: tutti i freni di servizio vengono usati con un singolo comando (l'esempio tipico lo si ha con le auto, camion e simili), esistono anche altre versioni, dedicate per le motociclette, che permettono d'avere una diversa distribuzione della frenata tra anteriore e posteriore a seconda del comando adoperato
Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Frenata integrale.

Comando e azionamento dei freni[modifica | modifica wikitesto]

Il comando dei freni può essere:

  • Leva, questo comando viene usato nelle motociclette per il comando dell'impianto anteriore, ma si può avere in alternativa un secondo comando a leva anche per l'impianto posteriore
  • Pedale, questo comando è usato nelle automobili e nella maggior parte dei casi anche per l'impianto posteriore delle motociclette

I freni possono essere azionati tramite vari sistemi:

  • Elettrica, il comando del freno agisce su un sensore, che invia il segnale elettrico alla centralina, la quale gestirà la frenata, o tramite pinze freno elettriche o tramite i vecchi sistemi, utilizzando un attuatore.
  • Idraulico, le pastiglie vengono premute contro il disco tramite la pressione sviluppata da un liquido, che deve rispondere alle caratteristiche dell'impianto frenante, alle caratteristiche d'uso e di manutenzione
Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Liquido freni.
  • Pneumatico, la pressione del gas può agire in positivo o negativo sulle pastiglie alloggiate dentro alla pinza, questo tipo di comando freno viene utilizzato nei mezzi ferroviari e su tutti gli autocarri pesanti. 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. dei meccanismi più o meno complicati fanno così rilasciare il freno.
  • Meccanico, quest'azionamento viene eseguito tramite un cavo metallico, azionato da una leva.

Avvertenze[modifica | modifica wikitesto]

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. Per questo motivo i freni, subito dopo essere stati usati, sono caldi e più il freno viene usato con forza, più l'attrito è grande e maggiore è il calore sviluppato.

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. L'uso prolungato può portare anche alla deformazione degli elementi d'attrito, con effetti negativi sull'efficienza dell'impianto.

Anche per questi motivi, lungo le strade ad elevata pendenza viene installato un segnale di pericolo, invitando alla prudenza e ad un uso efficiente dei freni.

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. Nel caso del freno rigenerativo il problema del riscaldamento è oggi praticamente scomparso, ma deve essere accoppiato ugualmente ai sistemi classici.

Accorgimenti[modifica | modifica wikitesto]

Gli accorgimenti generali sono:

Spia dei freni consumati.
  • Spia di consumo, la manutenzione delle parti di consumo deve essere eseguita secondo le prescrizioni, dato che quando i freni arrivano a fine vita perdono efficacia, oltre al fatto che diventano rumorosi, per questo alcuni veicoli sono dotati di spie per la segnalazione dell'eccessivo consumo delle pastiglie dei freni o di indicatori di consumo a più livelli.
  • Sensori dello stop questi sensori servono per alimentare gli indicatori visivi di stop e possono essere:
    • Idrostop è un sensore che viene azionato tramite la pressione del liquido freno, così da chiudere il contatto elettrico
    • Interruttore è un normale interruttore elettrico di dimensioni contenute che viene messo in comunicazione con la leva o pedale del freno tramite un cilindretto in alluminio o sfera d'acciaio
  • Ripartitore della frenata dispositivo che serve negli impianti di tipo integrale (che agiscono su due o più assi) per poter regolare la distribuzione della forza frenante.
Jaguar E-Type Series 3 rear subframe.jpg Jaguar IRS coloured diagram.png
Esempio di un sistema InBoard della Jaguar E-Type, utilizzato al retrotreno, a sinistra la foto del sistema reale, a destra uno schema tecnico, i freni sono evidenziati in rosso
  • Freni 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, questo perché viene ricollocato nel telaio e collegato alla ruota tramite un albero di trasmissione, il tutto appunto per ridurre il peso delle masse non sospese e migliorare così la risposta/reattività delle sospensioni, inoltre permette una maggiore protezione dei freni, che in questi casi sono meno esposti ad urti e detriti, ma richiede una complessità strutturale maggiore, come appunto un albero di trasmissione per trasmettere la forza frenante o il raffreddamento che in questo caso tende ad essere più problematico e richiedere dei specifici condotti di ventilazione.
    I veicoli più noti ad usare questo sono la Jaguar E-Type, Citroën 2CV e Hummer H1.
    Questa denominazione venne usata impropriamente anche nelle motociclette, come nel caso della Honda VF400F usando il nome "inboard ventilated disc", dove l'impianto frenante a disco venne semplicemente integrato dentro al cerchio.
  • Servofreno elemento che riduce la forza richiesta per frenare, di normale uso nei mezzi di trasporto pesanti e di tipo automobilistico.

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Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]