Introduzione ai sistemi frenanti: a disco, a tamburo, rigenerazione e Brake-by-Wire.

0. Cosa spiega questo articolo

• Come dischi e tamburi gestiscono l'attrito e il calore e perché si verifica il fading.

• Come i circuiti idraulici amplificano la forza tramite il principio di Pascal e come l'ABS/ESC interviene ruota per ruota.

• La combinazione di frenata rigenerativa e frenata meccanica nei veicoli elettrici e ibridi e lo stato attuale del brake-by-wire con Bosch iBooster, Continental MK C1 e Brembo Sensify.

1. In sintesi: cos'è un sistema frenante?

Un sistema frenante converte l'energia cinetica di un veicolo in calore generato dall'attrito o in elettricità tramite rigenerazione, per ridurre la velocità. La forza esercitata sul pedale viene trasmessa come pressione idraulica o segnale elettrico e una pinza o un cilindro della ruota preme il materiale d'attrito contro un disco o un tamburo. L'ABS/ESC regola la forza frenante monitorando lo slittamento di ciascuna ruota e, nei veicoli elettrici e ibridi, si aggiunge la combinazione di frenata rigenerativa e frenata meccanica. Qualunque sia il metodo, l'energia finisce in definitiva per essere dispersa sotto forma di calore nell'atmosfera o restituita alla batteria come elettricità.

2. Il percorso dell'energia

Figura 1 — L'input del pedale viene suddiviso tra rigenerazione e attrito dalla centralina dei freni e l'ABS/ESC regola la pressione idraulica (o i comandi elettrici, per l'EMB) ruota per ruota prima che raggiunga la pinza.

3. Attrito e calore: dischi e tamburi

Durante la frenata, l'energia cinetica \frac12 mv^2 si trasforma in calore nel materiale d'attrito e nel disco (o nel tamburo). Il calore generato per unità di tempo — potenza frenante — può essere approssimato come

La forza d'attrito segue F_{brake}=\mu F_n dal coefficiente d'attrito \mu e dalla forza di serraggio F_n, ma \mu tende a diminuire con l'aumentare della temperatura, che è la causa principale del fading (perdita di forza frenante).

I freni a disco hanno il rotore esposto all'aria esterna e un disco ventilato dissipa facilmente il calore attraverso il flusso d'aria interno. I freni a tamburo hanno le ganasce all'interno di un cilindro strutturalmente chiuso, quindi il calore tende ad accumularsi e la temperatura della superficie d'attrito aumenta più rapidamente a parità di calore generato. D'altra parte, un tamburo ha un effetto auto-energizzante (servo) che aumenta l'efficacia a seconda della direzione di rotazione delle ganasce. rotazione, che facilita l'ottenimento di una forte forza frenante con una leggera pressione sul pedale — motivo per cui è ancora utilizzato per i freni di stazionamento, le ruote posteriori dei veicoli di grandi dimensioni e le auto di piccole dimensioni economiche.

Figura 2 — Diagramma concettuale, non dati misurati. Un tamburo chiuso tende a vedere la temperatura della superficie di attrito aumentare più rapidamente per la stessa quantità di calore generata, mostrando schematicamente perché il fading (la diminuzione di μ) tende a manifestarsi prima.

4. Circuiti idraulici e ABS/ESC

L'idraulica dei freni segue il principio di Pascal. Considerando l'area della sezione trasversale del pistone della pompa freno come A_m e l'area della sezione trasversale del lato del cilindro della ruota (o pinza) come A_w, la forza viene amplificata come

Un design comune suddivide il sistema in due circuiti anteriori/posteriori o due circuiti diagonali (a X), in modo che un guasto in un sistema non lasci tutte e quattro le ruote senza frenata.

L'ABS (sistema antibloccaggio) stima il rapporto di slittamento

dai sensori di velocità delle ruote e aumenta, mantiene o rilascia la pressione idraulica per mantenere lo slittamento entro l'intervallo di circa 10-20% in cui il coefficiente di attrito tra strada e pneumatico raggiunge il picco. L'ESC (controllo elettronico della stabilità) confronta la velocità di imbardata, l'angolo di sterzata e la velocità del veicolo e frena ruote specifiche per riportare il veicolo in traiettoria quando la sterzata prevista e il comportamento effettivo divergono. Bosch e Daimler-Benz dichiarano ufficialmente che l'ESP® è stato installato per la prima volta sulla Classe S nel 1995 e da allora è stato ampiamente adottato come sistema di controllo integrato che si sovrappone all'ABS.

5. La situazione attuale del Brake-by-Wire

Per ottimizzare l'integrazione della frenata rigenerativa, si sono diffuse soluzioni che mediano elettricamente tra il pedale e la generazione di pressione idraulica. L'attuatore elettromeccanico iBooster di Bosch elettrifica la servoassistenza della frenata e, secondo le specifiche ufficiali, può raggiungere la pressione massima più velocemente rispetto al passato, in circa 120 millisecondi, e, se abbinato all'ESP® HEV, permette di compensare quasi interamente la decelerazione tramite rigenerazione fino a circa 0,3 g. Il sistema monoblocco MK C1 di Continental separa meccanicamente il pedale dalla generazione di pressione a livello della pompa freno (by-wire) e, secondo le dichiarazioni ufficiali, consente di raggiungere la pressione massima in circa 150 millisecondi e di recuperare quasi il 100% dell'energia frenante.

Facendo un ulteriore passo avanti, i freni elettromeccanici a secco (EMB), che eliminano completamente le tubazioni idrauliche, si stanno avviando alla produzione di massa. Il sistema Sensify di Brembo aziona ogni pinza con un motore elettrico individuale, con un controller centrale che distribuisce il segnale del pedale a ciascuna ruota tramite software, e si prevede che le consegne di produzione di massa inizieranno nel 2026. Anche Continental, ZF e Bosch starebbero pianificando la produzione di massa intorno al 2027-2028, e l'intero settore si sta orientando verso sistemi di controllo che bypassano l'idraulica. Ciononostante, il sistema full-by-wire richiede una progettazione a prova di guasto che non perda la frenata in caso di interruzione di corrente, rendendo la ridondanza e la certificazione conforme al processo di sicurezza funzionale ISO 26262 un prerequisito per la produzione di massa.

1. La relazione tra frenata rigenerativa e ABS/ESC

Il ragionamento alla base della suddivisione della frenata tra rigenerativa e meccanica è trattato nella sezione sulla frenata rigenerativa del Manuale sui sistemi di propulsione dei veicoli elettrici, mentre la sua gestione in un sistema ibrido a ripartizione di potenza è descritta nella sezione relativa allo stato di carica (SOC) e al bilanciamento energetico del Manuale sui sistemi ibridi. Il controllo di base suddivide la decelerazione necessaria a_{req} in una componente rigenerativa a_{regen} e una componente meccanica a_{fric}:

In condizioni quali un elevato stato di carica della batteria (SOC), una batteria o un inverter surriscaldati o una strada scivolosa, la coppia rigenerativa viene ridotta e, a meno che tale componente non venga rapidamente trasferita alla frenata meccanica, la sensazione al pedale cambierà. Quando l'ABS è attivo, la rigenerazione dovrebbe essere disattivata rapidamente, con tutte e quattro le ruote che passano alla frenata meccanica. L'architettura by-wire è anche alla base di questa transizione senza ritardi meccanici.

7. Confronto tra configurazioni

8. Condizioni difficili e sicurezza

Una frenata intensa su una lunga discesa continua ad aumentare la temperatura del materiale d'attrito e del disco/tamburo, e oltre il fading c'è il rischio di vapor lock, con formazione di bolle nel fluido e sensazione spugnosa al pedale. Il liquido freni DOT3 nuovo e asciutto ha un punto di ebollizione di circa 205 °C, mentre il DOT4 ha un punto di ebollizione di circa 230 °C. L'assorbimento di umidità abbassa ulteriormente il punto di ebollizione, quindi la sostituzione del liquido secondo le tempistiche specificate è fondamentale per la sicurezza. Su strade di montagna, l'utilizzo attivo del freno motore, del rallentatore o della rigenerazione di un veicolo elettrico/ibrido, anziché affidarsi esclusivamente al freno a pedale, rappresenta una contromisura contro il surriscaldamento dei freni. La combinazione di frenata in discesa e rallentatori meccanici sui grandi autocarri ribaltabili è trattata anche nel Manuale per autocarri ribaltabili. Dopo aver attraversato pozzanghere, il materiale d'attrito si bagna e la sua efficacia diminuisce, quindi si raccomanda una leggera frenata a bassa velocità per asciugarlo. Quando si lavora sul liquido freni ad alta pressione o sul cablaggio ad alta tensione di un EMB, è essenziale seguire le procedure e utilizzare i dispositivi di protezione individuale specificati nel manuale di servizio.

9. Scelte pratiche

• Guida in città, auto di piccole dimensioni: una combinazione di freni a disco anteriori e tamburi posteriori è ragionevole se la priorità è il costo e la facilità di manutenzione; optare per i freni a disco su tutte e quattro le ruote se la dissipazione del calore e la costanza della risposta del pedale sono più importanti.

• Veicoli elettrici/ibridi: verificare la fluidità della miscelazione rigenerativa e la rapidità con cui avviene il passaggio quando interviene l'ABS. I sistemi di servofreno elettrico o i sistemi "one-box" stanno diventando la norma.

• Strade di montagna, traino: valutare il margine di ebollizione del fluido, la resistenza al calore delle pastiglie/guarnizioni e la combinazione di sistemi di frenatura ausiliari (freno motore, rallentatore, rigenerazione).

• Veicoli che adotteranno la frenatura elettromeccanica in futuro: la presenza di un sistema idraulico di backup, la ridondanza di alimentazione e lo stato di certificazione sono tutti fattori da considerare in fase di acquisto o manutenzione.

10. Riepilogo (tre righe da rivedere)

La frenata consiste nel trasformare l'energia cinetica in calore da attrito o elettricità (rigenerazione); I freni a disco eccellono nella dissipazione del calore, i freni a tamburo nell'auto-energizzazione.

I sistemi idraulici amplificano la forza tramite il principio di Pascal, mentre ABS/ESC monitorano lo slittamento e la velocità di imbardata per regolare la forza frenante ruota per ruota. Nei veicoli elettrici e ibridi, a questo si aggiunge la separazione tra rigenerazione e frenata per attrito, e i sistemi brake-by-wire come iBooster, MK C1 e Sensify si stanno muovendo verso una perfetta integrazione dei due.

Riferimenti

• Pagina ufficiale Bosch iBooster
• Comunicato stampa Continental MK C1
• Materiale ufficiale per il 25° anniversario di Bosch ESP
• SAE International