I freni dellautomobile

Lautomobile e stata progettata come veicolo per permetterti di spostarti. Tuttavia, una funzione non meno importante e che si possa anche fermare lauto in modo rapido.

Con lo sviluppo di auto sempre piu veloci, si sono evoluti anche i vari sistemi frenanti. Prima di entrare nella materia dei freni, poniamoci una semplice domanda: "Perche le auto hanno i freni?". Il primo pensiero e: "per ridurre la velocita o per fermarsi". Ad esempio, nella situazione in cui qualcuno attraversa davanti alla tua auto e vuoi evitare una collisione, oppure quando devi fermarti a un semaforo che diventa rosso. Ma se approfondisci la domanda, diventa chiaro che con i freni non puoi solo fermarti rapidamente, ma puoi anche andare piu veloce! Se non avessi i freni, in citta con traffico intenso, incroci e semafori, guideresti in modo molto prudente e lento per non causare incidenti o uscire di strada in curva. I freni ci danno la possibilita di fermarci o rallentare quando necessario e rendono quindi possibile andare piu veloci! Se nei primi 300 metri davanti a te non c e altro traffico, puoi anche accelerare un po, perche sai che dopo potrai frenare. Quindi, con i freni vai piu veloce! In questa affermazione sta anche la logica che, piu l auto va veloce, piu potente deve essere la capacita di frenata.

Il primo freno

Il primo freno non era altro che un blocco di legno fatto per sfregare, tramite una leva, contro la fascia di ferro intorno alla ruota di legno del carro (vedi disegno). In questo modo gli antichi Romani rallentavano e fermavano i loro carri gia piu di 2000 anni fa.

Intorno al 1885, per migliorare il comfort di marcia, si inizio a sostituire la fascia di ferro intorno alla ruota di legno del carro con uno pneumatico in gomma piena. Questo fu il momento in cui il blocco di legno come freno non poteva piu essere utilizzato, perche avrebbe danneggiato la gomma piena. Con lo pneumatico in gomma piena il blocco di legno venne sostituito da una piastra metallica, come si puo vedere tra l altro al Louwman Museum sulla Benz 5HP Phaeton del 1895.

Fu Gottlieb Daimler che nel 1889 per primo utilizzo una fascia o un cavo d acciaio avvolto attorno a un tamburo o a un cerchio rotante montato sull asse posteriore o sulla ruota posteriore. Tirando una leva o premendo un pedale si tirava l estremita libera della fascia o del cavo e il tamburo o il cerchio rotante sull asse posteriore o sulla ruota posteriore veniva rallentato. La fascia era rivestita di materiale d attrito, spesso cuoio, ma questo non aveva una lunga durata. Ogni 350 km era necessaria la manutenzione.

Il freno a tamburo

Nel 1901 Wilhelm Maybach sviluppo il primo concetto di freno a tamburo. Un anello interno di materiale dattrito veniva premuto contro la parte interna del tamburo tramite rulli. Questo sistema fu applicato alla Mercedes Simplex 40cv del 1903, ma non ebbe successo.

Nel frattempo, nel 1902, Renault sviluppo il freno a tamburo definitivo come lo conosciamo oggi. Il freno a tamburo meccanico di Renault aveva due ganasce curve, incernierate da un lato e appoggiate su una camma dallaltro lato. Azionando una leva o premendo il pedale del freno, la camma ruota e preme entrambe le ganasce contro la superficie interna del tamburo (vedi immagine). Con la successiva introduzione dei freni idraulici, la camma nel freno a tamburo fu sostituita da un cilindro della ruota.

Allinizio il freno a tamburo veniva montato solo sulle ruote posteriori perche frenare con le ruote anteriori poteva causare slittamento rendendo lauto ingovernabile.

Il costruttore olandese Spyker fu nel 1903 il primo a montare freni su tutte e quattro le ruote sulla Spyker 60 HP (vedi immagine). Poco dopo anche altre marche adottarono i freni su quattro ruote. Per poter regolare la frenata e prevenire lo slittamento, i freni meccanici sulle ruote posteriori venivano spesso azionati con una leva accanto al conducente, mentre i freni sulle ruote anteriori erano comandati da un pedale del freno. Il coordinamento tra la frenata sulle ruote posteriori e su quelle anteriori richiedeva notevole abilita ed esperienza, un operazione che oggi facciamo fatica anche solo a immaginare.

I tamburi freno piu impressionanti erano senza dubbio quelli montati sulle auto da corsa, come sulle Auto Union e sulle Mercedes Benz Silberpfeile negli anni 30 (vedi la foto allegata della Mercedes Benz W125 del 1937).

I tamburi dei freni di grandi dimensioni, con un diametro di 40 cm, erano dotati di alette e palette per garantire un raffreddamento ottimale e prevenire il fenomeno del brake fading. Questo fenomeno si verifica quando il materiale dattrito sulle ganasce dei freni diventa troppo caldo e la superficie si vetrifica. Nei casi piu estremi i tamburi dei freni possono persino deformarsi, con una conseguente forte riduzione delle prestazioni di frenata o addirittura la loro completa perdita.

Il freno azionato idraulicamente

I freni a comando meccanico, con le loro aste di azionamento verso le ruote anteriori e posteriori, hanno lo svantaggio di essere pesanti e di richiedere regolazioni frequenti. Nel 1918 questo cambio grazie allo sviluppo del freno a comando idraulico, uninvenzione dello scozzese Malcolm Lougheed. Per rendere piu semplice la pronuncia del suo cognome, nel 1920 cambio il suo nome in Lockheed, contemporaneamente alla fondazione della Lockheed Hydraulic Brake Company. Il freno a comando idraulico, rispetto al freno a comando meccanico, era leggero, richiedeva molta meno forza sul pedale e la forza frenante sulle quattro ruote veniva distribuita in modo piu uniforme. Il sistema idraulico della Lockheed rappresento un miglioramento assoluto e venne applicato per la prima volta nel 1921 sulla Duesenberg Model A. Negli anni Trenta i freni idraulici divennero infine uno standard su quasi tutte le automobili.

Il freno a disco

Poiche i freni a tamburo possono surriscaldarsi facilmente alle alte velocita e con un uso frequente, gia all inizio del 1900 si prese in considerazione la possibilita del freno a disco. Tuttavia, a causa della scarsa conoscenza, tra le altre cose, del materiale piu adatto per il disco freno e per il rivestimento delle pastiglie, questo non ebbe successo.

Fu solo all inizio degli anni cinquanta che Dunlop sviluppo un affidabile freno a disco sulla vettura da corsa Jaguar C-Type. Grazie ai freni a disco, in quel periodo Jaguar ottenne grandi successi nella gara di durata di 24 ore di Le Mans. Nel 1955 il freno a disco fu utilizzato per la prima volta in Francia sulla Citroen DS 19 e nel 1956 la Truimph TR3 fu la prima vettura di serie inglese dotata di moderni freni a disco. La prima auto di serie tedesca con freni a disco fu la Mercedes-Benz 220 SE del 1961. Oggi i freni a disco sono di uso comune. Per le autovetture piu veloci o piu pesanti, sia le ruote anteriori che quelle posteriori sono dotate di freni a disco, spesso in versione ventilata per le ruote anteriori.

Il sistema ABS

Per migliorare ulteriormente la frenata dellauto, in particolare su fondo bagnato, ghiaccio e neve, è stato introdotto lABS (Anti-lock Braking System). Si tratta di un sistema a controllo automatico che si basa sul principio della frenata a impulsi, una tecnica che in passato veniva utilizzata dai guidatori esperti. La regolazione automatica dellABS avviene a una velocita tale che non potrebbe essere gestita da una persona. Il sistema fa in modo che durante la frenata le ruote dellauto mantengano trazione con il manto stradale, evitando il bloccaggio (assenza di rotazione) e lo slittamento incontrollato delle ruote. In questo modo lauto rimane governabile e puo evitare gli ostacoli.

LABS fu inventato nel 1929 e venne usato per la prima volta nellindustria aeronautica dal pioniere francese dellauto e dellaviazione Gabriel Voisin. Per gli aerei lABS fu una vera svolta e miglioro le prestazioni di frenata del 30%. Evitava anche il frequente surriscaldamento degli pneumatici dovuto al bloccaggio. A partire dal 1970 arrivarono sul mercato le prime auto con ABS di Ford e GM.

Frenata rigenerativa

Un altro principio di frenata e la frenata rigenerativa nelle auto elettriche o ibride elettriche. Nella frenata tradizionale, a causa della resistenza di attrito, lenergia cinetica o di movimento viene trasformata principalmente in calore che va perso inutilizzato come scarto. Con la frenata rigenerativa, il motore elettrico funziona come un generatore (dinamo) e produce elettricita. La fornitura di questa elettricita comporta un carico per il generatore, producendo cosi un effetto frenante. Lenergia elettrica generata durante la frenata viene immagazzinata nelle batterie e successivamente utilizzata per azionare elettricamente lauto. La frenata rigenerativa aumenta quindi lautonomia delle auto elettriche o ibride elettriche.

La frenata rigenerativa e stata introdotta anche nella Formula 1 a partire dal 2009, con il cosiddetto Kinetic Energy Recovery System (KERS). Questo sistema KERS fa si che lenergia di frenata, che normalmente verrebbe trasformata in calore, venga invece immagazzinata per essere utilizzata in un secondo momento. Limmagazzinamento dellenergia avviene tramite un volano (meccanico) oppure mediante un generatore e una batteria (elettrico). Lenergia accumulata nel volano o nella batteria viene poi utilizzata al momento opportuno per fornire potenza aggiuntiva (accelerazione) alla vettura di F1. Il sistema non e ideale. Gli svantaggi sono che il progetto del KERS e complesso, i componenti comportano un aumento di peso aggiuntivo (35 kg) e che i freni a frizione convenzionali sono ancora necessari.

Un esempio di auto di F1 con KERS e la Toyota TF109.

Nel 1903 la frenata rigenerativa era gia utilizzata sui tram elettrici e, in seguito, anche sui treni. In questo sistema i motori elettrici di trazione venivano collegati come generatori per fermare il tram o ridurne la velocita durante le discese. Questo offriva allazienda tranviaria vantaggi economici e operativi.

La necessita e l importanza di buoni freni per l automobile non erano riconosciute come tali da tutti i costruttori di auto. In risposta a un cliente che si lamentava dei freni mediocri della sua Bugatti, Ettore Bugatti fece la notevole affermazione: "Costruisco le mie auto per correre, non per fermarsi!".

La Spyker 60HP, la Benz 5HP Phaeton e la Toyota TF109 menzionate in questo articolo sono esposte al Louwman Museum.

Alfred Koeten