Disco freno

Il disco freno costituisce la parte dell'impianto frenante a disco solidale con la ruota e su cui agiscono le pastiglie freno collegate alla pinza freno per decelerare il movimento rotatorio.

Caratteristiche strutturali

La struttura del disco è composta da vari aspetti:

Materiali Possono essere in materiali differenti per la superficie frenante: Ghisa, questi freni vengono utilizzati sugli autoveicoli e generalmente la concentrazione di carbonio varia a seconda della predisposizione d'utilizzo. Sono completamente sparite dal panorama motociclistico delle applicazioni in cui viene impiegata la ghisa, questo per ragioni di peso: si cerca infatti di ridurre lo spessore dei dischi e sotto un certo valore la ghisa diventa pericolosa da impiegarsi. Acciaio, sono dischi formati da una lega come il carbonio e altri materiali che possono cambiarne le caratteristiche, facendo dividere tale lega in due categorie principali: Acciaio al carbonio (steel carbon), sono gli acciai dove la lega è composta principalmente da ferro e carbonio, mentre gli altri materiali sono presenti in percentuali basse o assenti, usati per prodotti più performanti, che richiedono però un trattamento protettivo di zincatura se non usati, questi acciai permettono frenate più energetiche e resistono meglio agli sforzi meccanici. Acciaio inossidabile, sono ad alta concentrazione di cromo ed è la lega maggiormente utilizzata per le motociclette stradali e da fuoristrada, dato che sono i dischi che più facilmente e velocemente entrano in temperatura, inoltre vengono impiegati anche per ragioni estetiche dato il fatto che difficilmente si arrugginiscono. Ceramica o Carbo-Ceramica, sono usati solo da alcune tra le più blasonate case automobilistiche (come Porsche, denominati con la sigla P.C.C.B. acronimo di Porsche ceramic composite brake) e di solito sono opzionali con un costo che si avvicina ai 10000 euro. I dischi in carbo-ceramica sono strutturalmente simili a quelli in carbonio ma hanno le superfici caricate con silice. In questo modo si ottiene un disco leggero come quello in carbonio ma con una superficie durissima che consente di far lavorare ad attrito delle pastiglie in carbo-composito. Così facendo si ottiene un grande coefficiente di attrito, frenate potenti e una durata dell'impianto di oltre 100.000 km. Sulle auto Porsche il sistema frenante offre prestazioni frenanti superiori a qualsiasi altro materiale impiegato oltre ad avere una resistenza maggiore all'effetto "fading". Analogo impianto è offerto anche per auto Ferrari, Lamborghini e altre case di lusso. Sono realizzati in carburo di silicio, uno dei materiali più duri conosciuti. Carbonio o carbon-carbon, questi freni vengono utilizzati quasi solo nelle competizioni, dato che per generare forza frenante richiedono temperature elevate. La scelta del carbonio è dovuta ad una particolarità: il suo coefficiente di attrito aumenta al crescere della temperatura, ossia frena meglio quando è caldo (al contrario dell'acciaio). Risulta ovvio il vantaggio in termini di prestazioni rispetto all'acciaio. La frenata avviene infatti per "fusione" delle pastiglie al disco i cui pezzi di giunzione vengono letteralmente strappati durante la frenata. Ne fanno uso le Formula 1, LMP1 e le MotoGP. Sono realizzati con carbonio sotto forma di fibre (non grafitizzate) e immerso in una matrice grafitica. Alluminio venne utilizzato con un rivestimento al plasma in alcune competizioni degli anni '80 per ridurre il peso complessivo MMC (Metal Matrix Composite) si trattano di materiali metallici rinforzati da fibre o particelle, questo permette a metalli che normalmente hanno un coefficiente di attrito maggiore rispetto ai metalli ferrosi, ma una durata e resistenza a fatica molto ridotta di ottenere prestazioni decisamente superiori alla fatica e all'usura, senza perdere potere frenante, se non addirittura aumentarlo ulteriormente.

Per quanto riguarda invece la piastra usata in alcuni dischi freno per collegarli alla ruota, questa può essere in acciaio, alluminio o ergal 7075.

Forma

Tipo di forma: Pieno, questi dischi sono pieni, con una doppia faccia di contatto, questi dischi sono molto utilizzati sulle moto e sulla maggior parte delle autovetture. Sulle moto è ormai prassi la presenza di forature che hanno lo scopo di ravvivare le pastiglie, di pulire la superficie da polveri e gas di frenata (fading) nonché di alleggerire il disco stesso e rendere la frenata più aggressiva. Margherita, questo tipo di dischi ad uso esclusivo motociclistico, hanno un profilo della piastra frenante molto particolare, intagliato o ad onda, il bordo discontinuo lavora allo stesso modo dei fori e delle “baffature” aumentando gli spigoli d'attacco disco/pastiglia e tenendo pulite le pastiglie stesse. Vengono per questi motivi molto utilizzati nelle applicazioni off-road, dove fango e polveri imbrattano continuamente le pastiglie. Come dimostrato questo tipo di dischi può essere usato con successo anche in applicazioni stradali, anche se in questo caso il profilo a margherita viene ricavato apportando una piccola lavorazione d'asportazione del profilo più esterno di un normale disco freno pieno. Ventilato, sono costituiti da due dischi con una sola faccia di contatto uniti tra loro in modo da lasciare comunque un passaggio per l'aria al loro interno durante il normale funzionamento, in modo da dissipare una maggior quantità di calore, questi dischi sono utilizzati ormai da tutte le autovetture stradali per quanto concerne l'impianto anteriore, solo raramente si impiegano dischi autoventilanti al posteriore. Sulle motociclette i dischi ventilati non sono quasi mai apparsi se non su mezzi da competizione nel campionato Superbike dove l'impiego dei dischi in carbonio è stato vietato per regolamento.I dischi ventilati possono avere i canali interni di ventilazione del tipo centrifugo (con diverse varianti) e di conseguenza il disco ha un senso di rotazione vincolato, oppure essere a canalizzazioni radiali e di conseguenza non vincolati nella rotazione, successivamente nel 1986 venne prodotta una ventilazione a pioli, che permette una ventilazione intermedia tra quella centrifuga e radiale, senza vincolo sulla rotazione, grazie alla particolare forma e disposizione dei pioli.

Collegamento alla ruota

Il collegamento alla ruota può essere a seconda della posizione dei collegamenti rispetto alla pista frenante: Centrale, la maggior parte dei dischi si collega alla ruota tramite questo sistema. Perimetrale, questi dischi sono fissati direttamente alla parte esterna del cerchio, rinunciando così al cestello, quindi il disco perimetrale è composto solo dalla pista frenante, risulta per queste sue caratteristiche un componente ad alto effetto scenografico e molto utilizzato dai preparatori. È stato ampiamente dimostrato che questo tipo di disco non offre reali vantaggi rispetto a soluzioni tradizionali. Di più, nell'uso sportivo l'elevato calore sviluppato dal disco si trasmette rapidamente al canale del cerchio e così allo pneumatico che vede decadere le sue caratteristiche di grip.

Rispetto alla soluzione di collegamento: Diretto, il disco si collega direttamente alla ruota Tramite piastra o Campana, il disco è collegato al cerchio tramite una piccola piastra di supporto con la quale è collegato tramite diversi sistemi, di cui il più comune sono i nottolini.

Tipo di collegamento: Viti, soluzione adottata per fissare il disco e il disco-piastra alla ruota Nottolini, (bussole cilindriche) usati per collegare la pista frenante con la piastra di supporto Superfici d'appoggio pari, soluzione classica, che permette una reversibilità del senso di rotazione del disco Superfici d'appoggio sfalsate, si ha una diversa lavorazione in altezza delle superfici che sorreggono il disco attorno al nottolino, il che ne permette di aumentare la potenza trasmessa, ma ne determina anche un unico verso di rotazione. T-Drive, usati per collegare la pista frenante con la piastra di supporto, dove il disco ha delle estremità a forma di T, le quali si vanno ad adagiare nella piastra di supporto, il trascinamento laterale (e successivo sfilamento) è scongiurato da dei supporti esterni avviati alla piastra, questa soluzione permette una maggiore forza di trasmissione, senza compromettere la reversibilità del disco.

Pista frenante Movimento della pista frenante: Fissi, sono dei dischi dove la pista frenante non è libera di muoversi rispetto al cestello o dove quest'ultimo elemento è tutt'uno con la pista frenante. Flottanti, sono realizzati in due pezzi e la pista è libera di muoversi assialmente ed in alcuni casi anche radialmente rispetto al cestello grazie a nottolini specifici, questo permette in caso di leggera deformazione della pista dovuta al calore di "autoallineare" la pista tra le pastiglie, quindi un disco flottante avrà un limite di resistenza agli sforzi maggiore rispetto ad un disco di pari caratteristiche ma non flottante. Semi flottanti, rispetto ai flottanti hanno la possibilità di muoversi generalmente molto più ridotta, dove si utilizza una rondella ondulata per evitare il movimento libero al disco.

Superficie del disco

Lavorazioni della superficie del disco: Normale o liscio, questi dischi non hanno nessuna lavorazione della superficie del disco, per cui sono completamente lisci. Dischi circolari pieni vengono usati in applicazioni posteriori su moto da enduro dove è richiesta una grande modulabilità mentre alcuni dischi a margherita, i quali in virtù della loro geometria, non richiedono lavorazioni particolari per essere efficienti, fanno uso di piste ondulate piene dato che già il loro profilo permette d'avere i vantaggi dei dischi forati.

Foratura, molte motociclette ed auto sportive presentano questa lavorazione, che può essere perpendicolare o obliqua alla superficie del disco, la forellatura serve sia per dissipare calore (con efficacia inferiore rispetto al disco ventilato) che di aumentare l'efficacia frenante. Infatti il bordo del foro serve per "raschiare" la pastiglia aumentando la forza frenante, pur accelerandone l'usura, inoltre allontanano più velocemente il velo d'acqua che si forma sulla superficie frenante durante la marcia sul bagnato, ma l'impiego eccessivo di forature crea un effetto controproducente come l'avvio brusco della frenata ma con scarsa sostanza a causa del veloce surriscaldamento dovuto al ridotto materiale del disco.Una variante di questo sistema, prevede che i fori siano obliqui, questo conferisce un foro ovale lungo la superficie frenante e un maggiore asporto di materiale.

Baffatura, lavorazioni dedicate praticamente ai soli dischi per auto, sono scavature o canali che aiutano a rimuovere il materiale consumato delle pastiglie freno, in modo da prevenire la vetrificazione delle stesse (fenomeno dovuto all'eccessivo calore che modifica la superficie d'attrito in modo permanente, riducendone notevolmente il coefficiente d'attrito) e inoltre aumentano la forza frenante in maniera analoga alla "foratura". Questa lavorazione non viene generalmente utilizzato sulle auto di produzione in quanto troppo aggressivo verso le pastiglie freno, la cui durata ne viene fortemente inficiata. Segmentale, in questo caso il disco viene munito di molti spigoli vivi che praticamente “affettano” le pastiglie ad ogni passaggio (in modo molto più incisivo rispetto alla foratura o baffatura), creando una frenata particolarmente efficace e violenta, ma il suo utilizzo è confinato al solo utilizzo agonistico, dato l'elevato costo e velocità d'usura delle pastiglie. Visivamente dal look aggressivo e accattivante questo tipo di dischi hanno per contro anche un feeling molto basso nella frenata.