I freni a disco offrono prestazioni di arresto migliori rispetto ai tamburi comparabili, inclusa la resistenza allo “sbiadimento” causato dal surriscaldamento. Ripercorriamo lo sviluppo di questa importante innovazione automobilistica agli anni di apertura del XX secolo.
Sebbene Fredrick William Lanchester sia generalmente riconosciuto come il primo produttore di motori del Regno Unito a brevettare una versione meccanica del freno a disco automobilistico nel 1902, l’ingegnere automobilistico di Birmingham può davvero essere accreditato solo per aver migliorato una tecnologia esistente. Questo perché un disco molto semplice e un sistema di frenatura a pinza erano stati montati sulla ruota anteriore di un veicolo alimentato elettricamente costruito negli Stati Uniti da Elmer Ambrose Cleveland nel 1898.
Le prestazioni del sistema frenante a disco montato sulle vetture di Lanchester erano fortemente limitate in quanto il mezzo frenante che agiva sul disco era in rame. Non solo questi ” pad ” di rame erano rumorosi durante il funzionamento, ma si consumavano rapidamente a causa delle condizioni polverose che prevalevano sulle strade all’epoca. Nonostante le versioni successive avessero pastiglie rivestite di amianto più efficienti, i sistemi frenanti a tamburo si dimostrarono più semplici ed economici da realizzare e divennero la scelta preferita dai produttori di veicoli fino alla metà degli anni Cinquanta.
Poiché le auto americane prebelliche erano notoriamente sotto frenata, diversi esperimenti con complessi sistemi interni e basati su dischi in espansione ebbero luogo negli Stati Uniti durante la seconda guerra mondiale. Lo scoppio della guerra portò questa ricerca allo sviluppo di freni a disco a pinza ad azionamento idraulico affidabili ed efficienti per applicazioni aeronautiche.
Dopo la guerra, Dunlop, con sede nel Regno Unito, divenne un importante produttore di freni a disco aeronautici, un fattore che portò l’azienda ad adattare la tecnologia per l’uso su veicoli stradali ad alte prestazioni. Nel 1953, una Jaguar C-type racer fece scalpore quando fu equipaggiata con un paio di freni a disco per automobili Dunlop resistenti allo sbiadimento per il Mille Milgia time trail di quell’anno in Italia. Citroën ha seguito questo con una coppia di dischi anteriori entrobordo motorizzati sulla sua DS del 1955 e nel 1956, la Triumph TR3 divenne la prima auto di produzione britannica ad essere dotata di freni a disco anteriori di serie.
I freni a disco sono costituiti da un disco in ghisa che ruota alla stessa velocità della ruota stradale di un’automobile. Ogni disco è parzialmente coperto da una pinza contenente una coppia di pistoni cilindrici azionati idraulicamente. L’attivazione del pedale del freno dell’auto fa sì che i cilindri spingano su una serie di cuscinetti di attrito con supporto in acciaio e li premano contro il disco per rallentare o arrestare l’auto. Una serie di guarnizioni in gomma attorno a ciascun pistone impedisce al fluido idraulico di fuoriuscire dalla pinza quando viene applicata la pressione, mentre gli anelli di tenuta in gomma mantengono la polvere e lo sporco fuori dagli alloggiamenti.
La faccia interna del disco non coperta dalla pinza è protetta da detriti stradali e acqua da uno schermo di spruzzatura in acciaio stampato. Ogni pistone è è gettato in una forma ‘ U ‘ in modo che il fluido spinge su una superficie piana e la quantità minima di materiale viene a contatto con la parte in acciaio del pad. Poiché la pinza copre solo una parte del disco, l’intero gruppo è più facilmente raffreddato nella corrente di scorrimento rispetto ai rivestimenti in un freno a tamburo chiuso.
Il trasferimento di calore dalla superficie di attrito alla pinza è ridotto al minimo su un freno a disco, impedendo così la “dissolvenza” del freno, un problema comune che può influire gravemente sulle prestazioni dei sistemi a tamburo surriscaldato. La dissolvenza del freno è quando un tamburo molto caldo si allontana leggermente dal gruppo della scarpa, diminuendo l’efficienza di frenata del veicolo. Su un’auto dotata di freni a disco accade il contrario quando il disco si espande leggermente quando si surriscalda. Man mano che un disco espanso si avvicina alle pastiglie, l’efficienza di frenata viene mantenuta finché il fluido non raggiunge il punto di ebollizione.
Le pastiglie sono relativamente facili da cambiare e sono generalmente tenute in posizione da due perni di fissaggio che passano attraverso la pinza. Ogni perno di fissaggio è tenuto in posizione da una speciale clip a molla. Una piastra di spessore è di solito montato tra il pistone e pad per eliminare stridio freno, mentre alcune pastiglie incorporano indicatori di usura. I pad sono solitamente segmentali in forma, ma alcuni possono essere rettangolari, ovali o addirittura quadrati. Quando si sostituiscono le pastiglie, è sempre consigliabile mettere uno striscio di grasso speciale per freni su ciascun lato dello spessore come precauzione aggiuntiva contro lo stridio.
Oltre alle pinze fisse, esistono diversi tipi di assemblaggio: il tipo oscillante, il tipo a pugno e il freno a pinza scorrevole. Una pinza oscillante contiene un singolo pistone idraulico ad azione diretta che opera su un cuscinetto di attrito. La pressione del fluido sul cilindro o sul pistone fa sì che la pinza aziona l’altro cuscinetto in un movimento oscillante o scorrevole. Le pinze a pugno sono progettate per la compattezza e hanno speciali V-slot in un alloggiamento fisso per evitare inceppamenti. Applicare il freno spostare la parte cilindrica del “pugno” e il pad corrispondente sul disco.
Il freno a pinza scorrevole lavora sul principio di due pistoni che lavorano in un unico cilindro. Quando il fluido pressurizzato agisce tra di loro, forza ciascun pistone a parte. Un pistone forza un cuscinetto di attrito sul disco per azione diretta, mentre l’altro pistone forza la pinza nella direzione opposta e così facendo porta il cuscinetto compagno a contatto diretto con il disco
Alcune pinze montate su auto ad alte prestazioni contengono quattro pistoni, due in ogni pinza. Per prestazioni extra, i dischi possono essere forati o avere scanalature angolate fresate sulle loro facce. I moderni cuscinetti di ricambio non contengono amianto pericoloso, ma sono fatti di vari composti duri che a volte possono includere particelle metalliche. La combinazione di questi diversi materiali può causare l’usura del disco e come tale si prevede che nuovi dischi siano montati su ogni secondo o terzo cambio pad.