Freno

freni sono meccanismi che permettono di rallentare e, in caso di necessità, arrestare le parti mobili di una macchina. Possono essere di tipo meccanico, elettrico, magnetico (elettro-magnetico) o aerodinamico.

Freni meccanici

I freni meccanici sono freni ad attrito radente, ossia, la cui azione è ottenuta mediante il contatto di strisciamento fra due superfici solide: una superficie con materiale ad alto valore del fattore di attrito viene premuta contro l’altra superficie collegata alla parte da frenare.

L’energia cinetica della macchina è dissipata in calore prodotto dallo strisciamento tra le due superfici.

I freni ad attrito radente sono utilizzati sia per il rallentamento sia per l’arresto del movimento. Il rallentamento può essere ottenuto anche con dispositivi a correnti di Foucault, a particelle magnetiche, o a fluido, ma non si ottiene l’arresto completo. Il freno deve produrre una adeguata coppia frenante in ogni condizione di uso, a caldo o a freddo, tra superfici asciutte o bagnate.

Esistono diverse classificazioni dei freni. I freni ad attrito possono essere classificati nel modo seguente con riferimento alla forma delle parti a contatto:

  • a tamburo: esterno (a ceppi esterni) o interno (a ceppi interni);
  • a nastro: semplice o differenziale;
  • a disco: a disco rotante monodisco o multidisco, oppure, a disco fisso.

Grandezze caratteristiche generali dei freni meccanici

Le grandezze che caratterizzano il comportamento dei freni sono:

  • forza di comando (o di azionamento): è la forza costante (massima) esercitata dall’operatore sull’organo di comando del freno durante la frenatura;
  • corsa di lavoro: è lo spostamento dell’organo di comando del freno dalla posizione di riposo alla posizione di frenatura;
  • indice di comando: è il prodotto della forza di comando per la corsa di lavoro;
  • efficacia secondo la definizione anglosassone (shoe factor):
    \[E = \dfrac{\textrm{forza di attrito}}{\textrm{forza di comando}}\]
  • indice di regolarità (sensitivity): più è elevato l’indice, più il freno è sensibile alla variazione del fattore di attrito.
    \[r = \dfrac{\textrm{variazione percentuale della coppia di frenatura}}{\textrm{variazione percentuale del fattore di attrito}}\]

Le caratteristiche da realizzare per un buon freno sono:

  • modesta forza di comando;
  • notevole efficacia, ma non tanto da provocare variazioni di velocità eccessive e conseguenti forze d’inerzia;
  • modesto indice di regolarità per avere prestazioni il più possibili costanti anche al variare delle forze di attrito;
  • scarsa necessità di manutenzione;
  • forma costruttiva semplice;
  • costo modesto.

Freni elettrici

Il principio di funzionamento del freno elettrico si basa sulla caratteristica dei motori elettrici capaci di funzionare sia come propulsore di movimento che come generatore di corrente (come ad esempio il motore asincrono).

L’effetto frenante del freno elettrico è superiore a quello tradizionale meccanico a ceppi o a dischi e viene utilizzato sempre di più sui mezzi di trasporto su rotaia ad alta velocità, anche se non ha sostituito del tutto gli altri sistemi frenanti che coesistono su tutte le locomotive elettriche; il sistema è stato razionalizzato integrando in molti casi il comando del freno pneumatico con quello elettrico realizzando la frenatura combinata.

Freni a recupero di energia

I freni a recupero di energia sono una particolare tipologia di freni elettrici che recuperano l’energia utile, prodotta in eccesso durante la frenatura dal motore elettrico (estraendola da una quota di quella che, normalmente, si dissipa in calore), quando esso passa da essere propulsore a generatore a causa dell’aumento di velocità di rotazione del motore.

In altre parole viene a generarsi una forza contro-elettromotrice (f.c.e.m.) che supera la tensione di alimentazione del motore, la corrente si inverte, la coppia motrice cambia di segno trasformandosi in coppia elettromagnetica frenante (crescente con la velocità). L’energia cinetica si trasforma così in elettricità che viene ceduta alla rete di alimentazione (recupero di energia).

Frenatura in controcorrente

Nel caso in cui si desidera ottenere una riduzione della velocità repentina, un metodo è quello di invertire il verso della corrente (invertendo i morsetti del circuito di indotto) ottenendo così l’inversione della coppia motrice. Il tempo di frenatura dipende dalla coppia inversa sviluppata dal motore e dall’inerzia dell’intero sistema rotante.

Per il motore asincrono, occorre che esso venga staccato dalla rete di alimentazione quando la sua velocità si annulla: altrimenti si avvierebbe la rotazione nel senso inverso.

Freni magnetici o elettromagnetici

Un freno magnetico, o elettromagnetico, è un dispositivo frenante che sviluppa una forza di rallentamento senza contatto tra le parti costituenti il freno. Esso è costituito da una lastra metallica ferromagnetica muoventesi all’interno di un campo magnetico. Tale movimento può essere di tipo rotatorio o rettilineo, ne consegue che i freni elettromagnetici possono essere circolari o lineari.

Per effetto del campo magnetico, nella lastra verranno a formarsi differenze di potenziale indotte che daranno vita, a loro volta, a correnti parassite (o correnti di Foucault). Queste correnti parassite generano anch’esse un campo magnetico, che opponendosi con quello del generatore del campo magnetico esterno, genera una forza frenante.

Nonostante non vi siano contatti tra le parti in movimento, avviene comunque una generazione di calore dovuto alla resistività elettrica della lastra conduttrice per effetto delle correnti parassite.

La forza frenante dipende comunque da diversi parametri quali:

  • la conducibilità del metallo: le correnti indotte sono direttamente proporzionali alla conducibilità elettrica del materiale, pertanto essa ha un ruolo determinante sull’azione frenante;
  • lo spessore e la geometria della lastra: anche qui le correnti indotte sono direttamente proporzionali allo spessore del materiale e all’area della lastra intercettata dal campo magnetico (che deve essere la più ampia possibile, e dovrebbe anche estendersi un po’ al di fuori del campo stesso). Inoltre, la presenza di fori o intagli nella lastra conduttrice può anche fortemente impedire, fino a quasi annullare, l’effetto frenante per effetto magnetico;
  • l’intensità del campo magnetico: le correnti indotte sono proporzionali al quadrato dell’induzione magnetica. È quindi particolarmente interessante utilizzare campi magnetici potenti;
  • la direzione del campo magnetico: la massima azione frenante si ottiene quando il movimento avviene in direzione perpendicolare alle linee di forza di un campo magnetico per quanto possibile uniforme;
  • il traferro del circuito magnetico: a parità di altre condizioni, lo spazio riservato al passaggio della lastra conduttrice determina l’intensità del campo magnetico che lo attraversa. Un suo aumento, ad esempio per aumentare il gioco nel passaggio della lastra, fa diminuire l’azione frenante;
  • la velocità: l’effetto frenante è fortemente dipendente dalla velocità relativa fra campo magnetico e lastra conduttrice. In particolare: a basse velocità la forza frenante è proporzionale alla velocità stessa (la frenata è di tipo viscoso), invece, con l’aumentare della velocità la forza frenante raggiunge un massimo per poi decrescere, fin quasi ad annullarsi a velocità molto elevate.

Sistemi di arresto

IBS (Integrated Brake System)

Il sistema IBS (acronimo di Integrated Brake System) è un innovativo sistema elettromeccanico dell’impianto frenante, derivante dalla Formula 1, che combina il sistema di controllo elettronico della stabilità (ESC) con il tradizionale servofreno in un unico dispositivo brake by wire.

La tecnologia “brake by wire” è un sistema elettromeccanico di controllo elettronico per il bilanciamento della frenata.

Il principio di funzionamento del Brake By Wire consiste nella eliminazione del classico collegamento idraulico diretto tra il pedale del freno ed i freni delle ruote, interponendo una centralina elettronica che elabora un segnale di ingresso, dato dal pilota tramite il pedale che indica la potenza frenante voluta, e che di conseguenza rimanda l’impulso agli attuatori delle pinze freno per frenare.

Il sistema IBS ha debuttato per la prima volta sulla Alfa Romeo Giulia del 2016, diventando così la prima auto del segmento D aver adottato tale tecnologia.

L’integrated brake system migliora la risposta dell’impianto frenante in funzione della pressione esercitata sul pedale, riducendone così le vibrazioni a questo trasmesse e gestendo in maniera vigorosa, ottimale, ed istantanea, la ripartizione della forza frenante sui singoli quattro freni, in varie condizioni stradali e di carico sulle ruote.

Sistemi di recupero dell’energia in fase di frenata

KERS “Kinetic Energy Recovery System”

Con l’acronimo KERS, Kinetic Energy Recovery System (in italiano “sistema di recupero dell’energia cinetica”) si indica un dispositivo ibrido elettromeccanico capace di recuperare parte dell’energia cinetica, che si trasforma in calore, sviluppato da un veicolo durante la fase di frenata (che altrimenti verrebbe dissipato irreversibilmente) e a trasformarla in energia meccanica o elettrica, accumulabile e nuovamente spendibile per la trazione del veicolo o per l’alimentazione dei suoi dispositivi elettrici; garantendo così prestazioni del motore più performanti a fronte di un minor consumo di carburante, con conseguente diminuzione di emissione di anidride carbonica.

La Magneti Marelli ha sviluppato, a partire dal campionato 2009 di Formula1, una tecnologia innovativa ed allo stesso tempo compatta ed efficiente nell’ambito del recupero di energia, che si è ulteriormente evoluta nel 2014 prendendo il nome di ERS (energy recovery system): che associa al recupero dell’energia cinetica della frenata anche il recupero dell’energia derivante dai gas di scarico, finalizzati entrambi ad alimentare il dispositivo moto-generatore collegato all’albero motore.

Caratteristiche della tecnologia KERS by Magneti Marelli

La sfida tecnologica principale che Magneti Marelli ha dovuto affrontare, nella realizzazione del sistema KERS, è stata quella di sviluppare un sistema leggero e di dimensioni ridotte ad altissima densità di potenza (intorno a 20 kW/kg) con una compattezza dai valori altrettanto elevati (il peso complessivo è di 4 kg per litro di volume), rendendolo adatto ad un ambiente estremo in termini di temperature e vibrazioni, armonizzando caratteristiche e bisogni tecnici contrastanti.

Magneti Marelli ha progettato, sviluppato e realizzato i seguenti componenti per il sistema KERS:

  • il moto-generatore: il cuore del sistema che trasforma energia cinetica in energia elettrica e viceversa, del peso di circa 5 kg che raggiunge livelli di efficienza del 95-97%;
  • il sistema elettronico di conversione dell’energia (centralina/inverter) che controlla e gestisce i flussi di energia dalla batteria al motore endotermico e viceversa, racchiudendo il tutto in una scatola di circa 2 litri in dimensione, e più leggera di 3 kg, circuiti di alta potenza, circuiti digitali a bassa potenza e microprocessori, in un ambiente con correnti fino a 500 volt e 1000 ampere;
  • il sistema di monitoraggio e controllo delle batterie.

Principio di funzionamento del KERS

Il KERS viene collegato direttamente all’albero motore attraverso un dispositivo moto-generatore (cioè in grado sia di sviluppare il moto che di trasformarlo in energia), che, in frenata, mosso dall’albero stesso, trasforma l’energia cinetica in corrente elettrica (grazie all’interazione fra le parti fisse degli statori e le parti mobili dei rotori). L’energia così prodotta viene smistata attraverso la centralina elettronica di controllo ed immagazzinata in un accumulatore agli ioni di litio.

A questo punto l’energia immagazzinata in frenata è sempre a disposizione del pilota, che può decidere di riutilizzarla strategicamente quando crede sia opportuno, dando così una sovralimentazione di potenza che alleggerisce il carico di lavoro del motore endotermico. In questo caso il dispositivo moto-generatore ruota in senso inverso, raggiungendo anche i 40.000 giri, esercitando una coppia sull’albero motore.