L’ABC dei freni

La moto secondo Lukethebike

Si fa presto a dire freni. In quanti sanno come funziona un impianto frenante? La differenza fra i vari tipi di pastiglie? E che differenza c’è fra un olio DOT4 e uno DOT5? Di questo e altro ha parlato il nostro Luca Fiorentino nel suo Forum Tecnico, l’appuntamento con la lezione in aula che accompagna la nostra tradizionale visita annuale allo stabilimento Honda di Atessa.
Di Luca Fiorentino (con la collaborazione di Riccardo Matesic)

Lukethebike, Luca Fiorentino, Genteki rider presso Honda Europe, traducibile come collaudatore esperto di riferimento per il mercato di destinazione di uno o più modelli. Nella sua lunga carriera in Honda ha ricoperto diversi incarichi tecnici. Oggi ci mette a disposizione la sua esperienza scrivendo di tecnica.

Sapete qual è il principio fisico di funzionamento di un impianto frenante? La conversione dell’energia cinetica di un corpo (l’insieme moto più pilota) in calore. Cosa che avviene attraverso l’attrito dei pistoncini sul disco; o delle ganasce sul tamburo.

Va da sé intuire che i freni quando utilizzati generano molto calore. Di qui i problemi di dissipazione, che i costruttori hanno affrontato in vari modi. Per gli ormai vetusti freni a tamburo erano state ad esempio realizzate delle prese d’aria con appositi convogliatori. Per i dischi invece si sono fatte scanalature e forature varie; anche per alleggerire il disco, che è un elemento critico per la ciclistica, visto che è una massa non sospesa (ne parleremo in una futura puntata).

Per far fronte alle dilatazioni termiche che portano i dischi a deformarsi, e in alcuni casi per ridurre il peso applicato alla ruota, si è arrivato a separare la funzione di supporto (hub) da quella frenante (pista), ed anche a creare un maggiore gioco fra di esse, per recuperare le dilatazioni termiche che, invero, farebbero deformare il disco (flottanti e semi flottanti).

Fig. 1 – Lo schema di funzionamento di un impianto frenante
Fig. 2 –
Fig. 3 – Così si presentano il freno a tamburo e quello a disco
Fig. 4 – Il funzionamento di un freno a tamburo a camma singola comparato a quello (migliore) a doppia camma
Fig. 5 – Schema di funzionamento del freno a disco, con il dettaglio sulla pinza flottante e su quella fissa a doppio pistoncino
Fig. 6 – Un freno a tamburo a doppia camma, con in evidenza la presa d’aria forata per il raffreddamento interno
Fig. 7 – Nei freni a disco più evoluti, la funzione di supporto viene separata da quella frenante, con la realizzazione di due componenti differenti, che poi vengono accoppiati in maniera più o meno vincolata per assorbire le dilatazioni termiche


Tipologie differenti di pinze

La pinza flottante permette di risparmiare sia sulla pinza stessa che sul disco, evitando di montare un disco flottante. Al contempo però necessità di maggiore pressione da parte della pompa. Infatti, con 2 pistoni contrapposti la forza della colonna del fluido si moltiplica per il doppio dell’area (principio del torchio idraulico).

Poi ci sono le pinze monoblocco, che si deformanomeno (non si arcuano) sotto forti pressioni, regolarizzando e massimizzando la superficie di contatto della pasticca sul disco. Sono quindi adatte a moto da competizione o moto sportive che si usano anche in pista.

L’Attacco radiale è nato nelle competizioni, dove permette di cambiare dimensione del disco rapidamente, adattando l’attacco semplicemente variando gli spessori di montaggio.

I bulloni però subisco uno stress assiale superiore, e vanno cambiati ogni volta che si smonta la pinza (teoricamente…). Essi sono generalmente cavi, per permettere una migliore deformazione assiale.

Fig. 8 – Esempio di pinza flottante a singolo pistoncino
Fig. 9 – Esempio di pinza a doppio pistoncino, in questo caso anche con attacco radiale
Fig. 10 – Una pinza monoblocco, ricavata dal pieno


Perché le pinze a quattro pistoncini?

Si chiama ‘diametro effettivo del disco’, ed è misurato disegnando una circonferenza che passa esattamente al centro della superficie d’attrito della pastiglia frenante. Maggiore è il diametro effettivo del disco, maggiore è la leva a favore della pinza che morde per generare effetto frenante.

Si guardi la fig. 11 per capire come una pinza a 4 pistoncini, a parità di superficie d’attrito delle pastiglie, garantisce una frenata maggiore, perché agisce su un diametro effettivo superiore rispetto a quello di una pinza a soli due pistoncini.

È ancora la fig. 11 a chiarirci perché il pistoncino torna indietro quando lasciamo la leva del freno: il paraolio che lo racchiude ha un ‘effetto molla’.

Fig. 11 – Un’immagine per capire il vantaggio in termini di efficacia frenante di una pinza a 4 pistoncini su una a 2. E poi: sapete perché il pistoncino torna indietro quando rilasciamo la leva del freno?


Perché una moto sportiva frena più di uno scooter?

Una moto sportiva molto caricata in avanti e capace di velocità molto elevate, in frenata è in grado di trasferire molto peso sulla ruota anteriore, incrementando moltissimo il cerchio d’attrito (l’inerzia dipende dal quadrato della velocità) grazie anche a pneumatici con un’impronta a terra molto efficace. Viceversa uno scooter che ha un baricentro basso, un interasse lungo e una velocità bassa, non riuscirà mai a fare altrettanto.

(per ben comprendere questa parte, torna utile la precedente lezione di Luca sul cerchio d’attrito)

Fig. 12 – Il bilanciamento statico dei pesi di uno scooter e di una moto
Fig. 13 – La moto frena meglio perché ha una superiore capacità di trasferimento di carico sulla ruota anteriore rispetto allo scooter


Disco singolo o doppio disco? E il disco perimetrale?

Su modelli economici si preferisce usare un singolo disco più grande, piuttosto che un doppio disco ma dal diametro più piccolo. Si compensa con il maggior diametro la riduzione di superficie frenante delle pastiglie, e il carico raddoppiato della doppia pinza. Tra l’altro, questa soluzione è più economica anche per la manutenzione ordinaria, visto che si sostituiscono due sole pastiglie per volta, piuttosto che quattro.

Un disco grande disperde con più facilità il calore, perché la corona che rimane fuori dalla pinza è più grande, quindi rimane più tempo esposta all’aria. Questa filosofia è portata all’estremo con i (pochi) casi di dischi perimetrali che si sono visti in commercio.

Sulla scelta fra disco singolo e doppio disco pesano anche altri fattori non da poco conto. Le dimensioni del cerchio e l’effetto giroscopico indotto dal disco di diametro superiore. Ma non va sottovalutato anche il posizionamento di mercato del veicolo, che in certi casi richiede la scelta obbligata del doppio disco.

Fig. 14 – La Buell fu una delle poche case a sposare la scelta del disco perimetrale


Liquido freni, quale DOT scegliere?

Il liquido freni trasferisce la pressione applicata alla pompa frenante fino ai pistoncini delle pinze. Deve scorrere a temperature fino a -40° senza gelare, e deve resistere a temperature di almeno 180°, senza andare in ebollizione.

Ormai tutti gli impianti richiedono l’uso di fluidi di tipo DOT4. E il DOT5? Quello lo si usa nelle competizioni, perché unisce una viscosità bassissima a un elevato punto d’ebollizione. Però ha il difetto di essere corrosivo per le guarnizioni dell’impianto frenante, quindi è idoneo solamente per le gare, dove la manutenzione è continua.

Fig. 15 – Le caratteristiche di base del liquido frenante
Fig. 16 – DOT3, DOT4, DOT5 caratteristiche a confronto
Fig. 17 Il confronto fra i freni delle MotoGP e quelli per uso stradale


Quali pastiglie?
Sparito dal commercio l’asbesto, perché cancerogeno, abbiamo oggi pastiglie sinterizzate di varie mescole.

Consideriamo per facilità i due estremi: l’uso in circuito e l’uso su strada: Le pastiglie per uso racing devono sopportare temperature molto elevate, superiori ai 450°C, mantenendo un coefficiente d’attrito alto. Per questo scopo vengono formulate delle mescole che soddisfano questi requisiti, ma al tempo stesso perdono efficacia a temperature inferiori a quella indicata.

Le pastiglie per uso stradale, invece, debbono offrire elevati coefficienti di attrito sin dalle temperature più basse; perché in questo uso succede che i freni debbano offrire la massima efficacia anche a freddo.

Oltre questa differenziazione, abbiamo mescole a matrice metallica e mescole a matrice resinosa. Tanto per rendere l’idea, l’SH 300 (uso cittadino) e il Forza 300 (uso stradale più esteso) hanno lo stesso impianto frenante. Sull’SH 300 montiamo però mescole a matrice metallica, che offrono un attrito iniziale più pronto, ma che nel turismo possono facilmente tendere a ‘fischiare’, una risonanza dovuta alla maggiore rigidezza. Al contrario, sul Forza 300 ne montiamo a matrice resinosa, perché si adattano meglio alle velocità più elevate, offrendo una superiore progressività. Il tutto ovviamente a parità di prestazioni.

Fig. 18 – Differenti pastiglie e differenti reazioni all’aumento della temperatura di funzionamento. Nel grafico l’andamento di tre mescole diverse al variare della temperatura. La rossa ha alto coefficiente d’attrito alle alte temperature, ma non ottimale alle basse. La blu invece offre buone prestazioni su tutto il range di temperature, pertanto sarà una scelta adatta a moto utilizzate principalmente su strada.
 
 


Pompa radiale o tradizionale?

Come si vede dalla Fig. 19, a parità di leve, la pompa radiale fa meno corsa, ed ha una sua ragione d’essere nell’uso esasperato in circuito, dove il forte aumento della temperatura di esercizio dell’olio durante la gara, tende a far allungare la corsa della leva freno.

A che serve la piastrina dietro la pastiglia frenante?

Ha una doppia funzione: principalmente serve a smorzare le risonanze della pastiglia (fischio), compito per il quale in passato si applicava uno strato di vernice a base di asbesto. La seconda funzione è isolare dal calore il fluido freni.

Fig. 19 – Lo schema di confronto fra il funzionamento di una pompa radiale e di una assiale mostra come la prima consenta di agire sul freno godendo di una corsa inferiore della leva
Fig. 20 – La piastrina che a volte troviamo fra pinza e pastiglia, ben visibile in questa foto, serve a ridurre il fischio dei freni e a diminuire il trasferimento di calore al corpo della pinza


Infine parliamo di manutenzione

Come capire quando vanno sostituite le pastiglie?

Quando arrivano ai segni di usura, vale a dure quelle scanalature presenti sul corpo del materiale frenante. Oppure quando si notano dei cali prestazionali, soprattutto il fading, una forte riduzione della potenza frenante. Succede perché la riduzione dello spessore della pastiglia per usura si oppone meno alla propagazione del calore dal disco al fluido.

Fig. 21 – Le scanalature servono a ridurre la rumorosità delle pastiglie, ma anche come spia d’usura


Quando sostituire il liquido freni?

Al massimo ogni 2 anni, perché è fortemente igroscopico, vale a dire che ingloba le particelle di umidità dell’aria. Se però abbiamo fenomeni di fading, con forte allungamento della corsa della leva, allora va sostituito immediatamente.


Vanno sostituiti i bulloni che tengono la pinza?

Si, teoricamente ogni volta che vengono smontati, soprattutto quelli delle pinze radiali


Si può fare manutenzione della pinza? Sono reperibili gli appositi kit? In caso di pulizia, come operare?

I ricambi interni sono in commercio. La manutenzione dipende strettamente dall’uso. Tuttavia è un elemento oggetto di controllo da parte del dealer durante le manutenzioni. Se notiamo anomalie nel ritorno dei pistoncini o, all’opposto, se tornano troppo, tale che la frenata successiva risulta debole o addirittura nulla.


Che tipo di grasso mettere per rimontare il pistoncino in sede?

Fluido Frenante. E sostituire tassativamente gli o-ring interni.


Quando sostituire i dischi?

Immediatamente se sono deformati, altrimenti quando raggiungono il limite di servizio riportato sulla superficie o sul manuale.

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Questo argomento contiene 15 risposte, ha 6 partecipanti, ed è stato aggiornato da  zio franco 1 settimana, 1 giorno fa.

  • Autore
    Articoli
  • #16268

    Mastic
    Amministratore del forum

    Il nostro @lukethebike ha messo in un testo la sua lezione sui freni tenuta ad Atessa quest’anno, nel corso del Technical Forum.
    La trovate QUI!

    Per ogni domanda, dubbio o curiosità, basta che scriviate qui sotto. Risponde lui direttamente 🙂

    • Questo argomento è stato modificato 1 settimana, 5 giorni fa da  Mastic.
  • #16270

    zio franco
    Partecipante

    Ehm….controlla il link 😉

    (Fatto, grazie della segnalazione! – Mastic)

    • Questa risposta è stata modificata 1 settimana, 5 giorni fa da  Mastic.
  • #16287

    Anto
    Moderatore

    Magnifico vademecum 👍

  • #16288

    Anto
    Moderatore

    @lukethebike spesso ci mettiamo a pasticciare con le pastiglie mettendo alle nostre moto tipi ad alte prestazioni o da competizione, è giusto o è sempre meglio montare quelle previste?

    • #16302

      lukethebike
      Partecipante

      @anto
      meglio attenersi alle indicazioni originali del costruttore. Soprattutto se andiamo su strada.

      Come illustrato nell’articolo e meglio spiegato durante il Technical Forum ad Atessa, la Potenza generata dall’impianto Frenante deve essere proporzionale alla capacità del mezzo di generare Attrito nel punto di contatto a terra degli Pneumatici.

      Inoltre la Potenza non è tutto: la modulabilità dell’impianto è FONDAMENTALE per la sicurezza e te ne accorgi nei PANIC-STOP dove non sei tu a governare la frenata.
      Un’ottima modulabilità è anche frutto del tipo di Attacco iniziale delle pasticche (initial bit).
      Occhio anche ai tubi in treccia se non sono previsti dal costruttore…

      Ciao

  • #16294

    Anadin74
    Partecipante

    Uno dei motivi per cui scelsi il Monster era per il suo impianto frenante.Il mio è a doppio disco dal diametro di 320(Brembo Serie Oro)che poco dopo con la versione a 6 marce sostituirono con uno più economico 🙁

    • #16295

      Mastic
      Amministratore del forum

      I freni buoni costano cari @anadin74.
      Comprendo benissimo la tua scelta, perché anche io sono affascinato da quel tipo di impianto frenante. Però è vero anche che in strada un impianto super spesso non serve. E un impianto super vuole anche delle sospensioni altrettanto di livello. Altrimenti la forcella va a pacco e devi mollare la leva del freno.
      Poi, ci sono delle moto insufficienti nella frenata d’emergenza. Perché i freni non mordono e perché la forcella va a pacco (anche con i freni che non mordono). E allora, in quel momento nel quale ti rendi conto che “non ti fermi”, ti rendi conto del valore di una moto di buon livello, con tutti i componenti giusti e ben settati 😉

  • #16300

    Dolfy
    Partecipante

    Frenare è da vigliacchi! (cit. Marco Logan):)

    Lamps

    Lamps

    Il Dolfy

  • #16321

    zio franco
    Partecipante

    Io ho un problema congenito

    Premessa,io non ho mai cambiato una coppia di pastiglie anteriori per il consumo,viceversa qualche disco si
    So che la mescola del materiale di consumo è un compromesso,o consumi la pastiglia o il disco,basta decidere

    Io con il materiale di serie consumo il disco,sembra un’eresia ma tant’è che ci ho fatto pace

    Stavolta con l’848 evo della serie limitata ho il DTC,per cui i dischi sono gli stessi della Panigale,con i nottolini che fungono da sensori per il controllo di trazione

    Solo che di serie i dischi hanno solo 6 attacchi,e dopo poco,prendono gioco o meglio si storcono e vanno fuori piano tanto da “sentire” sulla leva il pompaggio

    Problema conosciuto sopratutto ai pistaioli che li cambiano ripetutamente

    Io sono al terzo set di dischi,due cambiati in garanzia

    Sono questi (la foto è di un disgraziato che li vende storti dichiarati)

    Stufo ho preso l’unica alternativa after market possibile,i Brembo serie oro con 12 nottolini di attacco
    Diametro 330 come l’originale naturalmente,e “bottoni” alternati con il sensore DTC

    Per un pò è andata bene,adesso a 37mila km “pompano” anche questi,messi sul comparatore oscillano 1/10 di mm appena

    L’ultima soluzione prospettata è quella delle pastiglie con mescola diversa,fossero quelle che indurendosi con l’uso generano l’effetto “pompaggio” sulla leva a bassa andatura e vibrazioni ad alta,proprio come un disco storto
    Cuscinetti,perno e pinze sono tutti originali e intonsi da cadute o danneggiamwenti

    Non so più cosa fare

    • #16333

      lukethebike
      Partecipante

      Ciao Franco!

      37000km con un set di dischi non mi sembra male per un utilizzo sportivo…

      Tuttavia, fermo restando la tendenza a “distorcere” dei dischi di grande diametro, il fenomeno si accentua a caldo, ovvero dopo una serie di frenate importanti? O E’ sempre presente da freddo?
      Sarebbe il caso di misurare le distorsioni a caldo.
      Controlla anche la distorsione RADIALE nel frattempo.

      Tuttavia la qualità costruttiva del disco ed il sistema di fissaggio ha una influenza sul fenomeno. Ma Brembo e Ducati non mi sembrano gli ultimi arrivati… ma un’analisi la chiederei ai meccanici di tua fiducia.

      Le pastiglie possono influire invece per 2 motivi:
      1. sicuramente una base a matrice metallica, ha un attacco iniziale più violento e sembra tendere a scaldare di più. Una base a matrice resinosa è più dolce nell’attacco.
      2. Importante è il RODAGGIO iniziale. All’inizio il contatto pastiglia-disco non è completo, quindi tende a scaldare di più il disco e potrebbe compromettere la vita del disco stesso. Tale rodaggio iniziale, può variare in funzione dei materiali in questione, dalle temperature di esercizio di quei km, dal metodo di rodaggio.
      In genere le Case si limitano a consigli generici su tale rodaggio iniziale, semplicemente avvertendo di non effettuare frenate prolungate e con grande forza.

      Hai mai provato a cambiare insieme Disco e Pastiglie ed effettuare un Rodaggio iniziale appropriato?
      Magari usando la tua sensibilità ed esperienza.

      Spero ci rivedremo.

      Un Abbraccio
      Luca

      • #16339

        zio franco
        Partecipante

        37000km con un set di dischi non mi sembra male

        Mi sembra malissimo essendo il terzo set 🙁

        E’ sempre presente da freddo

        Sopratutto da freddo

        Hai mai provato a cambiare insieme Disco e Pastiglie ed effettuare un Rodaggio iniziale appropriato?

        Sempre pastiglie nuove (di serie) e dischi cambiati insieme,ed i primi km va tutto bene,poi peggiora lentamente ed inesorabilmente

        Adesso i Brembo Oro sono sicuramente dritti,proverò a cambiare pastiglie stando particolarmente attento al rodaggio
        Il problema è quali pastiglie rimanendo sulle Brembo

      • #16342

        lukethebike
        Partecipante

        Capito male io… pensavo 37000km con l’ultimo set…
        Scusa.

        Per le pastiglie prova una meno aggressiva come bit.

        Ducati che dice in proposito?

      • #16344

        zio franco
        Partecipante

        Per le pastiglie prova una meno aggressiva come bit.

        Ducati che dice in proposito?

        Dice proprio questo

        Tutta questo per dire che le pastiglie di serie sono un compromesso,cercare poi l’ideale è un altro paio di maniche,ci vuole pazienza
        Con MV che pesa e non frena,complice un fadding congenito,l’impianto frenante è stato commissionato a Nissin e l’ha cappellato fino da subito per cui sono tornati a Brembo,ecco dicevo dopo aver cambiato l’olio con un Dot 4 super,pastiglie meno aggressive e spurghi settimanali 😉 ho finito i dischi. 65 mila km ma li ho finiti davvero stavolta

      • #16343

        lukethebike
        Partecipante

        Franco,
        la SBS ha in listino diverse mescole anche RACING con un attacco più dolce.
        Una ha codice: 841DS-2

        Il sito è https://www.sbs.dk

        Hanno le replacement originali 841HS

        La tua è una 848EVO se non sbaglio…

        Ciao

  • #16331

    Anto
    Moderatore

    Ma i nottolini non dovrebbero rendere il disco leggermente “mobile” per renderlo indipendente dal resto e assorbire eventuali deformazioni nella zona di contatto delle pastiglie quando si pinza?

    • #16332

      zio franco
      Partecipante

      No questi sono semi flottanti,recuperano le deformazioni termiche tra l’alluminio della flangia e l’acciaio della pista

      Quelli flottanti non si usano più ormai

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