Il freno a disco è un dispositivo il cui scopo è rallentare o fermare la rotazione di una ruota. Un freno a disco è solitamente costruito in ghisa, ed è collegato alla ruota o all'asse. Per frenare la ruota, una o più coppie di pastiglie (montate all'interno delle pinze dei freni) sono premute contro il disco da entrambi i suoi lati. Questo movimento è realizzato con dispositivi meccanici o idraulici (che forniscono prestazioni migliori); in ogni caso l'attrito risultante causa il rallentameno del disco e della ruota ad essa solidale.

Storia

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I primi esperimenti con freni a disco iniziarono in Inghilterra negli ultimi anni del diciannovesimo secolo; i primi freni a disco vennero brevettati da Frederick William Lanchester di Birmingham nel 1902. Passò un quarto di secolo prima che il sistema venisse adottato.

Il primo freno a disco, quello che si è poi trasformato nel sistema attualmente in uso, apparve in Inghilterra a cavallo tra gli anni quaranta e gli anni cinquanta del secolo scorso. Offrivano una capacità frenante decisamente superiore ai fino ad allora utilizzati freni a tamburo, ma quello non era il solo vantaggio. Anche la resistenza al "fading" (cioè la caratteristica di mantenere immutata o quasi la forza frenante dopo azionamenti ripetuti, limitando il surriscaldamento dei componenti) e la notevole efficacia frenante da bagnati (utile per la sicurezza su strada in caso di maltempo ed indispensabile per uso fuoristradistico) erano dei "plus" non indifferenti. La semplicità meccanica del sistema a disco, il minor numero di componenti utilizzato e la facilità di riparazione costituivano altri ulteriori ed innegabili vantaggi.

Come spesso avviene il primo impulso alla diffusione dei freni a disco venne dalle competizioni automobilistiche, dove i vantaggi sopra menzionati costituivano un grande vantaggio competitivo.

Le primissime implementazioni di questo sistema frenante prevedevano un solo disco montato vicino al differenziale, solo successivamente vennero montati all'interno delle ruote. La ragione del disco unico montato in posizione centrale scaturiva dal presupposto di avere minori masse sospese, concentrazione della massa vicino al baricentro e minor riscaldamento degli pneumatici, fattore di vitale importanza per le Formula 1 di allora.

I freni a disco sono oggi diventati indispensabili sulle autovetture di serie, anche se alcune auto (specie quelle più piccole e leggere) a tutt'oggi montano sulle ruote posteriori dei freni a tamburo per ragioni di costo, di semplicità di implementazione del freno di stazionamento (il cosiddetto "freno a mano"). Essendo la forza frenante delle auto concentrata in larghissima parte sulle ruote anteriori questa soluzione può comunque essere considerata un ragionevole compromesso.

I Dischi

I dischi possono avere caratteristiche diverse.

Alcuni sono in ghisa pieno e doppia faccia di contatto, altri sono costituiti da due dischi con una sola faccia di contatto uniti tra loro in modo da lasciare comunque un passaggio per l'aria. Sono i dischi denominati "ventilati", il passaggio d'aria al loro interno durante il movimento serve a dissipare una maggior quantità di calore.

Molte motociclette ed auto sportive presentano anche parecchie forature (in senso trasversale) della superficie del disco. Queste forature hanno ancora lo scopo di dissipare calore (con efficacia inferiore rispetto al disco ventilato) ma anche di allontanare più velocemente il velo d'acqua che si forma sulla superficie frenante durante la marcia sul bagnato.

Altri dischi presentano delle leggere scavature o canali che aiutano a rimuovere il materiale consumato delle pastiglie freno. Quest'azione meccanica previene la vetrificazione delle stesse (fenomeno dovuto all'eccessivo calore che modifica la superficie d'attrito in modo permanente, riducendone notevolmente il coefficiente d'attrito). Questo tipo di disco non viene generalmente utilizzato sulle auto di produzione in quanto troppo aggressivo verso le pastiglie freno, la cui durata ne viene fortemente inficiata.

Naturalmente possono esistere dischi che combinano due o più di queste caratteristiche.

Tipi di danneggiamento dei dischi

I dischi freno sono normalmente soggetti a piu tipi di danneggiamento: la deformazione, la rigatura, la rottura, vetrificazione. In aggiunta, talvolta si può rendere necessaria una rilavorazione meccanica dei dischi che ne può ridurre notevolmente la durata.

Deformazione

• La deformazione dei dischi freno può essere causata da un eccessivo riscaldamento degli stessi; il rammollimento del metallo può generare ondulazioni od ovalizzazioni che il successivo raffreddamento rende permanenti. Naturalmente questo fenomeno è notevolmente più improbabile nel caso di dischi ventilati.

La deformazione può inoltre essere generata da una impropria coppia di serraggio dei bulloni che fermano la ruota.

La sensazione derivante dalla deformazione è quella di vibrazioni od ondeggiamenti della ruota sottoposta ad azione frenante. La stessa sensazione potrebbe però anche essere generata da un accumulo di materiale frenante di consumo (principalmente proveniente dalla pastiglia freno) o residui di grasso od olio in alcune aree della superficie del disco. Questo alternarsi di forze frenanti maggiori o minori possono indurre erroneamente a diagnosticare la deformazione dei dischi.

Le auto dotate di cambio automatico di tipo epicicloidale necessitano di essere frenate durante le pause di marcia, avendo questo tipo di trasmissione uno strisciamento che genera un avanzamento anche al regime di minimo del motore. Nelle zone di contatto tra pastiglia e disco la temperatura scende più lentamente, per cui nella frenata successiva si potrebbero generare discontinuità dell'azione frenante dovuta alle diverse temperature delle diverse aree del disco. Anche questo effetto, seppur transitorio nelle auto moderne, introduce le stesse sensazioni di un disco deformato.

La deformazione del disco può essere evitata utilizzando i freni in maniera appropriata. Utilizzando spesso il freno motore, evitando frenate troppo prolungate (sempre se possibile a seconda del traffico, è preferibile frenare più forte e rilasciare ad intermittenza) si può efficacemente diminuire le probabilità di surriscaldamento.

Rigatura

• La rigatura di solito è conseguenza diretta della mancata sostituzione delle pastiglie freno quando queste sono consumate. Il materiale d'attrito viene consumato con l'utilizzo, quando termina la base delle pastiglie (solitamente in acciaio) viene a contatto con il disco rigandolo. In queste condizioni, acciaio contro acciaio, la forza frenante è oltretutto quasi nulla.

Se la rigatura non è troppo profonda si può rilavorare meccanicamente il disco asportandone la parte superficiale fino a renderlo nuovamente liscio.

La verifica dello stato di usura delle pastiglie è relativamente semplice in quanto normalmente in vista. Quasi sempre esse hanno una tacca di riferimento, una scanalatura, che indica quando le pastiglie necessitano di sostituzione.

Rottura

• La rottura è un fenomeno generalmente limitato ai dischi forati, si localizza normalmente verso il bordo del disco, quando un utilizzo troppo violento dei freni crea differenze di dilatazione termica amplificate dalle forature (sul cui bordo si creano le prime fessurazioni). Da quel momento le crepe si ingigantiscono molto velocemente e possono portare fino alla rottura definitiva del disco. Un disco crepato (ovviamente anche rotto), non si può riparare in nessun modo.

La necessità di forare i dischi, oltre che per smaltire più velocemente il calore, può anche essere dovuta ad una precisa scelta progettuale (limitazione della superficie d'attrito e quindi di forza frenante in funzione della destinazione del mezzo, oppure per limitare le masse sospese ed il peso complessivo).

Vetrificazione

La ghisa sottoposta ad alte teperature si trasforma in acciai cementato, questo ha uno scarso coeficcente d'atrito e un durezza molto elevata. Sul disco si presentano delle chiazze.

Rilavorazione meccanica

• La rilavorazione meccanica ha tre fini: ripianare dischi deformati (ricreandone la planarità), eliminare rigature profonde, ripulire la superficie del disco (consigliabile quando vengono montate nuove pastiglie freno). Quest'ultima operazione si può eseguire efficacemente con delle macchine utensili appositamente concepite per questa operazione.

La rilavorazione meccanica, asportando lo strato superficiale irregolare del disco, ne migliora logicamente la finitura superficiale raggiungendo una migliore efficacia nella frenata. Nella rilavorazione meccanica bisogna ovviamente tenere in considerazione di non portare il disco sotto lo spessore minimo consentito dalla casa costruttrice (solitamente riportato sul bordo stesso del disco)per evitare problemi di surriscaldamnto e deformazione.

Pinza freno

La pinza freno è l'insieme delle pastiglie freno e delle componenti che le muovono (pistoncini o cilindretti). I cilindretti sono costruiti generalmente in alluminio o acciaio cromato.

Ci sono due tipi di pinza freno: flottante o fissa.

Una pinza freno fissa non ha nessun movimento in relazione al disco freno. Utilizza uno o più coppie di cilindretti che schiacciano le pastiglie freno verso il disco su entrambe le facce dello stesso, è più complessa e più costosa del tipo flottante.

Una pinza freno flottante ha libertà di movimento rispetto al disco freno. Il cilindretto da un lato del disco freno spinge una pastiglia verso il disco, quando avviene il contatto esso comincia a tirare la pinza rendendo possibile anche il contatto della pastiglia dal lato opposto del disco.

Una pinza flottante a singolo pistone può provocare l'incollamento della pastiglia sul disco, a causa dello sporco o della corrosione che può intervenire quando il mezzo non viene utilizzato a lungo. L'incollamento è ovviamente deleterio per la durata del sistema frenante e per la stabilità del mezzo.

Pistoncini e Cilindretti

Il più diffuso sistema di pinza freno comprende un singolo pistoncino attivato idraulicamente che si muove all'interno di un cilindretto. Il numero di pistoncini può aumentare a seconda delle necessità frenanti richieste dal progetto, fino a normalmente un massimo di 8. Le auto moderne hanno il circuito idraulico dei freni (che muove i pistoncini) sdoppiato per ragioni di sicurezza.

Problematiche relative a questi componenti possono essere dovute al grippaggio del pistoncino che quindi non rientra più nella posizione di riposo. Questo fenomeno è frequente in auto non utilizzate per lungo tempo in condizioni ambientali sfavorevoli.

Pastiglie freno

Le pastiglie freno sono costituite da una base (che viene spinta dai pistoncini) ed una strato d'attrito composto da materiali vari. Lo strato d'attrito genera una frizione sul disco freno quando viene premuto su di esso, in effetti la superficie a contatto subisce delle modificazioni generando una frizione di tipo semi-liquido. A seconda delle proprietà e della composizione del materiale d'attrito si può privilegiare ciao l'efficienza (la forza frenante) o la durata delle pastiglie. Le pastiglie vanno sostituite regolarmente essendo materiale d'usura, e sono stati sviluppati sistemi in grado di rendere visibile quando arriva questo momento. Alcune semplicemente hanno un intaglio nello strato d'attrito: quando le pastiglie sono così consumate da raggiungere il fondo dell'intaglio (che diviene quindi non più visibile) è giunto il momento di procedere alla sostituzione. Altre (ma si tratta di un sistema ormai in disuso) hanno un sottile pezzo di metallo dolce (per non incidere i dischi) al proprio interno che genera uno stridìo avvertibile. Altre ancora hanno un'aletta sempre di metallo dolce al proprio interno che, quando viene a contatto del disco freno, chiude un circuito elettrico accendendo una spia di avvertimento sul cruscotto. Esistono anche più sofisticati e costosi sensori elettronici allo scopo.

Le prime pastiglie freno erano costituite preminentemente di amianto, i cui pericoli dovuti all'inalazione sono noti da tempo. Al giorno d'oggi l'utilizzo di tale elemento è scomparso.

Meccanica

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