Bentrovati con il consueto appuntamento settimanale con il tech corner!
Ashima, azienda Taiwanese specializzata nella produzione di impianti frenanti, dischi e pastiglie, ha lanciato sul mercato un nuovo impianto frenante senza pistoni.
Questoggi vedremo di analizzare il funzionamento del sistema a membrane PCB confrontandolo con i sistemi tradizionali a pistoncini. Cercheremo di capire come funzionano le due tipologie di freno e su quali principi fisici si basa il loro funzionamento.
I pistoncini.
Presenti a coppie, in numero variabile da 2 a 6, i pistoncini sono lorgano che ha il compito fisico di spingere le pastiglie a contatto con il disco. La pastiglia infatti appoggia sul pistonicino ed è tenuta a contatto con questultimo da una molla (talvolta la pastiglia può essere agganciata direttamente sul pistoncino, come nel caso dei freni Hayes). Vediamo un esploso di una pinza di un qualsiasi freno idraulico (Formula Mega My 2010):
Immagine 01: esploso di una pinza di un Formula Mega 2010. Si notino i due pistoncini (#6) e la guarnizione (quad ring) #13.
Come possiamo vedere dalla figura, la pinza aperta presenta allinterno due cavità al cui interno sono alloggiati i pistoncini #6. Internamente ai pistoncini sono posizionate le due pastiglie #4, tra cui è interposta una molla (#8) che ha il compito di tenere a contatto le pastiglie con i pistoni ed evitare che sfreghino sul disco producendo rumore.
Immagine 02: pistoni e guarnizioni quad ring di un impianto freni Formula K24.
I pistoncini sono di diverso materiale. NElla maggior parte dei casi sono in materiali polimerici (resina), altre volte in alluminio o in ceramica. Devono essere in grado di resistere alle elevate temperature a cui è soggetta la pinza freno, ma allo stesso tempo devono cercare di isolare lolio da un eccessivo surriscaldamento che potrebbe causare il fenomeno del fading. Per questo spesso si usano materiali polimerici che conducono meno il calore.
Attorno al pistone è presente una guarnizione a sezione quadrata, molto importante per il funzionamento dell'impianto.
IL FUNZIONAMENTO DEI PISTONI.
Vediamo ora di analizzare da un punto di vista fisico come funzionano i pistoni.
Cominciamo col dire che durante la frenata, la leva freno spinge allinterno del circuito idraulico il pompante, ovvero un pistone che va a comprimere lolio, o per meglio dire va a spingerlo allinterno del condotto idraulico (tubo) verso la pinza freno, visto che lolio è incomprimibile.
Il movimento del pompante collegato con la leva quindi crea una pressione nellolio (in idraulica si chiama "carico piezometrico") che quindi andrà a premere in maniera uniforme su tutte le pareti del circuito ed anche in maniera uniforme sui due pistoncini, essendo questi ultimi posizionati alla medesima quota.
Immagine 03: schematizzazione di una pinza freno sezionata. Nello schema non sono rappresentate le pastiglie dei freni, che andrebbero interposte tra i due pistoni (#4 rosso) e il disco (#6 grigio). La parete della pinza sezionata è rappresentata in giallo, il flusso dellolio con frecce verdi.
Lolio spinto dal pompante, rappresentato dalle frecce verdi, viene spinto in entrambe le cavità della pinza. Per il principio dei vasi comunicanti la pressione allinterno delle due cavità è uguale. Lolio spinge quindi in maniera uniforme su tutte le pareti del circuito, che tuttavia sono indeformabili. Lunico elemento mobile sono i due pistoncini, che spinti dalla pressione dellolio si avvicinano al disco (in grigio al centro) premendo le pastiglie contro il disco e determinando la frenata.
La forza con cui vengono premuti i pistoni dipende da due fattori:
Ora che abbiamo capito come funzionano i pistoni dei freni a disco, concentriamoci sulla guarnizione. La guarnizione è un quad ring, ovvero una guarnizione circolare a sezione quadrata.
Il compito di questa guarnizione è infatti duplice:
Contrariamente a quello che si può pensare, la guarnizione non scorre durante il normale funzionamento dellimpianto (quando si frena), ma scorre solamente quando si consumano le pastiglie per avvicinare il pistoncino al disco, in modo che la distanza superficie frenante/disco sia sempre costante indipendentemente che le pastiglie siano usurate o meno. Questo è di fondamentale importanza affinche la corsa del pistone dalla posizione di riposo a quella di frenata sia sempre uguale e che il pistone non debba percorrere più strada con le pastiglie ususrate.
Analizziamo ora cosa succede durante una frenata ordinaria:
Immagine 04: configurazione di frenata ordinaria. Si noti come la guarnizione si deformi durante lo spostamento del pistone e non si abbia scorrimento della porzione di quad ring a contatto con il pistone relativamente al pistone stesso. Sulla pinza freno invece la guarnizione è solitamente fissata in una scanalatura.
I pistoncini durante la frenata sono spinti dallolio spinto dal pompante nel circuito. Nella posizione di riposo il quad ring assume conformazione con sezione quadrata, senza deformarsi. Quando il pistone viene spinto allesterno, la faccia del quad ring a contatto con il pistoncino rimane attaccata al pistoncino stesso. Il quad ring subisce quindi una deformazione che gli fa assumere una sezione a parallelepipedo. Gli sforzi di taglio allinterfaccia quad ring/pistone infatti non sono sufficienti a vincere lattrito statico gomma/polimero (o ceramica o alluminio) e di conseguenza non si ha movimento relativo tra i due elementi.
Per quanto riguarda invece linterfaccia quad ring/pinza, solitamente è spresente una scanalatura per mantenere la guarnizione in posizione.
Naturalmente la guarnizione deformata tende a ritornare nella posizione di riposo. Quando si rilascia la leva freno quindi la guarnizione tende a far rientrare il pistone, riportandolo alla posizione di riposo.
Vediamo ora cosa succede quando le pastiglie si consumano:
Immagine 05: movimento relativo del pistone rispetto alla guarnizione mano a mano che si usurano le pastiglie. Questa caratteristica degli impianti frenanti a pistoni permette di garantire che la distanza superficie frenante/disco sia costante indipendentemente dallo stato di usura della pastiglie, garantendo al pistone la stessa corsa dalla posizione di riposo a quella di frenata.
Durante la frenata una parte delle pastiglie viene consumata dallattrito con il disco e lo spessore del ferodo diminuisce. Di conseguenza la distanza disco pastiglia aumenta.
Quando freniamo e le pastiglie si usurano il pistone deve quindi eseguire uno spostamento maggiore rispetto al normale. Quando questo spostamento diventa maggiore della deformazione che il quad ring è in grado di sopportare senza scorrere (le tensioni di taglio superano lattrito statico) si ha lo scorrimento della guarnizione rispetto al pistone.
Il pistone, avvenuto lo scorrimento della guarnizione, nella posizione di riposo si troverà più vicino al disco, in modo da compensare lassottigliamento del ferodo dovuto allusura. A questo punto lescursione che deve coprire il pistoncino per garantire il contatto pastiglia disco sarà inferiore e rientrerà nel range in cui il quad ring si deforma senza che vi sia scorrimento alle interfacce, riportando il sistema nella configurazione analizzata in precedenza (frenata ordinaria).
Grazie a questo sistema, unito ad un serbatoio con una membrana in grado di compensare la variazione di volume del circuito idraulico dovuto allavvicinarsi dei pistoni al disco, il nostro impianto frenante è in grado di garantire la stessa frenata indipendentemente dallusura delle pastiglie.
I freni a membrane: Ashima PCB.
Immagine 06: pinza freno Ashima PCB. Si noti allinterno la membrana. Quello rosso allesterno è il condotto dellolio.
Introdotti di recente dalla ditta taiwanese Ashima, i freni PCB (PanCake Brake) utilizzano invece dei pistoncini una membrana in gomma, con allinterno un disco in metallo su cui appoggiano le pastiglie
Immagine 07: membrane dei freni Ashima PCB. Si noti la presenza del piattello metallico al centro su cui si appoggiano le pastiglie e della membrana deformabile in gomma che permette lo spostamento del piattello.
Il principio di funzionamento è praticamente analogo ai sistemi tradizionali a pistoni:
Immagine 08:schema di funzionamento del sistema a membrana Ashima.
Il sistema è costituito da una membrana flessibile che svolge la funzione di tenuta e di elemento elastico. Durante la frenata ordinaria lolio viene spinto allinterno della pinza freno. La spinta dellolio si distribuisce uniformemente su tutte le pareti e sulla parte mobile costituita da membrana e piattello in metallo. Grazie a questa proprietà dei fluidi è quindi garantita lomegeneità del movimento del piattello che si muoverà in maniera ortogonale rispetto al suo asse.
La membrana durante il movimento di avvicinamento del piattello, subisce un allungamento elastico. Di conseguenza una volta che si è rilasciata la leva, il suo ritorno elastico riporterà il piattello in posizione neutra, allontanando le pastiglie dal disco.
A differenza dei sistemi con pistoncini tuttavia, mano a mano che la pastiglia si usura il sistema non è in grado di auto bilanciare la distanza pastiglia disco che risuletrà maggiore a pastiglia consumata.
Considerazioni: i due sistemi a confronto.
I due sistemi sono pressoché analoghi per quanto riguarda il funzionamento durante un frenata ordinaria. Entrambi sfruttano la deformazione elastica di una parte in gomma (quad ring o membrana) per permettere il ritorno dei pistoni. Lunica differenza che si può constatare sta nel fatto che, mentre nel sistema a pistoni il pistoncino è in grado di mantenere una costante la distanza disco/superficie frenante, nel sistema PCB la distanza superficie frenante/disco varia aumentando con lusura delle pastiglie. Di conseguenza, a meno che la ditta taiwanese abbia adottato alcune soluzioni particolari sul pompante, la frenata risulterà più lunga con pastiglie usurate.
Un altro aspetto di cui tenere contro riguarda la manutenzione. Chiunque abbia avuto occasione di mettere mano a freni di tipo tradizionale, sa che spesso i pistoncini a causa dello sporco che si accumula nellintercapedine pistoncino/corpo pinza freno (polvere, residui di pastiglia), non lavorano in maniera simmetrica. Inoltre se non puliti accuratamente i pistoncini oppongono resistenza quando si cerca di fargli rientrare durante il cambio pastiglie. Il sistem PCB sulla carta risolve questi problemi. Eliminando lintercapedine si elimina fisicamente lo spazio in cui può infilarsi lo sporco. Inoltre il cambio pastiglie risulterà molto più rapido: non è infatti necessario far rientrare i pistoni in quanto la posizione neutra della membrana è sempre uguale indipendentemente dallo stato di usura delle pastiglie.
Unaltra considerazione da fare invece riguarda la membrana del sistema PCB e la sua deformazione. Negli impianti frenanti infatti si raggiungono pressioni di esercizio piuttosto elevate. Sotto pressioni elevate la membrana tenderà inevitabilmente a deformarsi. Questo da un punto di vista pratico significa che la frenata potrebbe non risultare netta (rock solid come si dice in inglese) in quanto al momento del contatto pastiglie/disco una parte della forza applicata sul freno viene dissipata con una deformazione della membrana. Ad ogni modo se questo da un punto di vista della potenza frenante risulta molto svantaggioso, dal punto di vista della modulabilità è invece positivo.
Dalla teoria alla pratica: il test.
A questo punto non ci resta che controllare con un test sul campo se queste considerazioni hanno un riscontro pratico e quanto siano influenti durante lutilizzo dellimpianto.
Ashima ha fornito alla nostra redazione un impianto freni da testare, vedremo come si comporterà sul campo.
Stay tuned e seguite gli aggiornamenti nella sezione Test!
Ashima, azienda Taiwanese specializzata nella produzione di impianti frenanti, dischi e pastiglie, ha lanciato sul mercato un nuovo impianto frenante senza pistoni.
Questoggi vedremo di analizzare il funzionamento del sistema a membrane PCB confrontandolo con i sistemi tradizionali a pistoncini. Cercheremo di capire come funzionano le due tipologie di freno e su quali principi fisici si basa il loro funzionamento.
I pistoncini.
Presenti a coppie, in numero variabile da 2 a 6, i pistoncini sono lorgano che ha il compito fisico di spingere le pastiglie a contatto con il disco. La pastiglia infatti appoggia sul pistonicino ed è tenuta a contatto con questultimo da una molla (talvolta la pastiglia può essere agganciata direttamente sul pistoncino, come nel caso dei freni Hayes). Vediamo un esploso di una pinza di un qualsiasi freno idraulico (Formula Mega My 2010):
Immagine 01: esploso di una pinza di un Formula Mega 2010. Si notino i due pistoncini (#6) e la guarnizione (quad ring) #13.
Come possiamo vedere dalla figura, la pinza aperta presenta allinterno due cavità al cui interno sono alloggiati i pistoncini #6. Internamente ai pistoncini sono posizionate le due pastiglie #4, tra cui è interposta una molla (#8) che ha il compito di tenere a contatto le pastiglie con i pistoni ed evitare che sfreghino sul disco producendo rumore.
Immagine 02: pistoni e guarnizioni quad ring di un impianto freni Formula K24.
I pistoncini sono di diverso materiale. NElla maggior parte dei casi sono in materiali polimerici (resina), altre volte in alluminio o in ceramica. Devono essere in grado di resistere alle elevate temperature a cui è soggetta la pinza freno, ma allo stesso tempo devono cercare di isolare lolio da un eccessivo surriscaldamento che potrebbe causare il fenomeno del fading. Per questo spesso si usano materiali polimerici che conducono meno il calore.
Attorno al pistone è presente una guarnizione a sezione quadrata, molto importante per il funzionamento dell'impianto.
IL FUNZIONAMENTO DEI PISTONI.
Vediamo ora di analizzare da un punto di vista fisico come funzionano i pistoni.
Cominciamo col dire che durante la frenata, la leva freno spinge allinterno del circuito idraulico il pompante, ovvero un pistone che va a comprimere lolio, o per meglio dire va a spingerlo allinterno del condotto idraulico (tubo) verso la pinza freno, visto che lolio è incomprimibile.
Il movimento del pompante collegato con la leva quindi crea una pressione nellolio (in idraulica si chiama "carico piezometrico") che quindi andrà a premere in maniera uniforme su tutte le pareti del circuito ed anche in maniera uniforme sui due pistoncini, essendo questi ultimi posizionati alla medesima quota.
Immagine 03: schematizzazione di una pinza freno sezionata. Nello schema non sono rappresentate le pastiglie dei freni, che andrebbero interposte tra i due pistoni (#4 rosso) e il disco (#6 grigio). La parete della pinza sezionata è rappresentata in giallo, il flusso dellolio con frecce verdi.
Lolio spinto dal pompante, rappresentato dalle frecce verdi, viene spinto in entrambe le cavità della pinza. Per il principio dei vasi comunicanti la pressione allinterno delle due cavità è uguale. Lolio spinge quindi in maniera uniforme su tutte le pareti del circuito, che tuttavia sono indeformabili. Lunico elemento mobile sono i due pistoncini, che spinti dalla pressione dellolio si avvicinano al disco (in grigio al centro) premendo le pastiglie contro il disco e determinando la frenata.
La forza con cui vengono premuti i pistoni dipende da due fattori:
- Tipologia del pompante e rapporto di leva della leva freno: sono fattori importanti in quanto la geometria del pompante determina la pressione con cui viene spinto lolio allinterno del circuito. Senza scendere in dettaglio diciamo che è possibile realizzare pompanti più o meno potenti e più o meno modulabili.
- Dimensione del pistoncino: a parità di pressione esercitata dal pompante (P) la forza agente sui pistoni sarà data dalla formula F=PxS dove P è la pressione esercitata dal pompante e S la superficie dei pistoni. Risulta quindi evidente che più grandi sono i pistoni maggiore sarà la forza applicata sulle pastiglie e quindi più potente sarà la frenata.
LA GUARNIZIONE- Dimensione del pistoncino: a parità di pressione esercitata dal pompante (P) la forza agente sui pistoni sarà data dalla formula F=PxS dove P è la pressione esercitata dal pompante e S la superficie dei pistoni. Risulta quindi evidente che più grandi sono i pistoni maggiore sarà la forza applicata sulle pastiglie e quindi più potente sarà la frenata.
Ora che abbiamo capito come funzionano i pistoni dei freni a disco, concentriamoci sulla guarnizione. La guarnizione è un quad ring, ovvero una guarnizione circolare a sezione quadrata.
Il compito di questa guarnizione è infatti duplice:
- Da un lato serve a sigillare limpianto, impedendo la fuoriuscita dellolio ed evitando lingresso di aria o di sporco.
- Dallaltro svolge la funzione di elemento elastico per garantire il ritorno dei pistoni nella posizione di riposo.
Vediamo di analizzare questo secondo punto
- Dallaltro svolge la funzione di elemento elastico per garantire il ritorno dei pistoni nella posizione di riposo.
Contrariamente a quello che si può pensare, la guarnizione non scorre durante il normale funzionamento dellimpianto (quando si frena), ma scorre solamente quando si consumano le pastiglie per avvicinare il pistoncino al disco, in modo che la distanza superficie frenante/disco sia sempre costante indipendentemente che le pastiglie siano usurate o meno. Questo è di fondamentale importanza affinche la corsa del pistone dalla posizione di riposo a quella di frenata sia sempre uguale e che il pistone non debba percorrere più strada con le pastiglie ususrate.
Analizziamo ora cosa succede durante una frenata ordinaria:
Immagine 04: configurazione di frenata ordinaria. Si noti come la guarnizione si deformi durante lo spostamento del pistone e non si abbia scorrimento della porzione di quad ring a contatto con il pistone relativamente al pistone stesso. Sulla pinza freno invece la guarnizione è solitamente fissata in una scanalatura.
I pistoncini durante la frenata sono spinti dallolio spinto dal pompante nel circuito. Nella posizione di riposo il quad ring assume conformazione con sezione quadrata, senza deformarsi. Quando il pistone viene spinto allesterno, la faccia del quad ring a contatto con il pistoncino rimane attaccata al pistoncino stesso. Il quad ring subisce quindi una deformazione che gli fa assumere una sezione a parallelepipedo. Gli sforzi di taglio allinterfaccia quad ring/pistone infatti non sono sufficienti a vincere lattrito statico gomma/polimero (o ceramica o alluminio) e di conseguenza non si ha movimento relativo tra i due elementi.
Per quanto riguarda invece linterfaccia quad ring/pinza, solitamente è spresente una scanalatura per mantenere la guarnizione in posizione.
Naturalmente la guarnizione deformata tende a ritornare nella posizione di riposo. Quando si rilascia la leva freno quindi la guarnizione tende a far rientrare il pistone, riportandolo alla posizione di riposo.
Vediamo ora cosa succede quando le pastiglie si consumano:
Immagine 05: movimento relativo del pistone rispetto alla guarnizione mano a mano che si usurano le pastiglie. Questa caratteristica degli impianti frenanti a pistoni permette di garantire che la distanza superficie frenante/disco sia costante indipendentemente dallo stato di usura della pastiglie, garantendo al pistone la stessa corsa dalla posizione di riposo a quella di frenata.
Durante la frenata una parte delle pastiglie viene consumata dallattrito con il disco e lo spessore del ferodo diminuisce. Di conseguenza la distanza disco pastiglia aumenta.
Quando freniamo e le pastiglie si usurano il pistone deve quindi eseguire uno spostamento maggiore rispetto al normale. Quando questo spostamento diventa maggiore della deformazione che il quad ring è in grado di sopportare senza scorrere (le tensioni di taglio superano lattrito statico) si ha lo scorrimento della guarnizione rispetto al pistone.
Il pistone, avvenuto lo scorrimento della guarnizione, nella posizione di riposo si troverà più vicino al disco, in modo da compensare lassottigliamento del ferodo dovuto allusura. A questo punto lescursione che deve coprire il pistoncino per garantire il contatto pastiglia disco sarà inferiore e rientrerà nel range in cui il quad ring si deforma senza che vi sia scorrimento alle interfacce, riportando il sistema nella configurazione analizzata in precedenza (frenata ordinaria).
Grazie a questo sistema, unito ad un serbatoio con una membrana in grado di compensare la variazione di volume del circuito idraulico dovuto allavvicinarsi dei pistoni al disco, il nostro impianto frenante è in grado di garantire la stessa frenata indipendentemente dallusura delle pastiglie.
I freni a membrane: Ashima PCB.
Immagine 06: pinza freno Ashima PCB. Si noti allinterno la membrana. Quello rosso allesterno è il condotto dellolio.
Introdotti di recente dalla ditta taiwanese Ashima, i freni PCB (PanCake Brake) utilizzano invece dei pistoncini una membrana in gomma, con allinterno un disco in metallo su cui appoggiano le pastiglie
Immagine 07: membrane dei freni Ashima PCB. Si noti la presenza del piattello metallico al centro su cui si appoggiano le pastiglie e della membrana deformabile in gomma che permette lo spostamento del piattello.
Il principio di funzionamento è praticamente analogo ai sistemi tradizionali a pistoni:
Immagine 08:schema di funzionamento del sistema a membrana Ashima.
Il sistema è costituito da una membrana flessibile che svolge la funzione di tenuta e di elemento elastico. Durante la frenata ordinaria lolio viene spinto allinterno della pinza freno. La spinta dellolio si distribuisce uniformemente su tutte le pareti e sulla parte mobile costituita da membrana e piattello in metallo. Grazie a questa proprietà dei fluidi è quindi garantita lomegeneità del movimento del piattello che si muoverà in maniera ortogonale rispetto al suo asse.
La membrana durante il movimento di avvicinamento del piattello, subisce un allungamento elastico. Di conseguenza una volta che si è rilasciata la leva, il suo ritorno elastico riporterà il piattello in posizione neutra, allontanando le pastiglie dal disco.
A differenza dei sistemi con pistoncini tuttavia, mano a mano che la pastiglia si usura il sistema non è in grado di auto bilanciare la distanza pastiglia disco che risuletrà maggiore a pastiglia consumata.
Considerazioni: i due sistemi a confronto.
I due sistemi sono pressoché analoghi per quanto riguarda il funzionamento durante un frenata ordinaria. Entrambi sfruttano la deformazione elastica di una parte in gomma (quad ring o membrana) per permettere il ritorno dei pistoni. Lunica differenza che si può constatare sta nel fatto che, mentre nel sistema a pistoni il pistoncino è in grado di mantenere una costante la distanza disco/superficie frenante, nel sistema PCB la distanza superficie frenante/disco varia aumentando con lusura delle pastiglie. Di conseguenza, a meno che la ditta taiwanese abbia adottato alcune soluzioni particolari sul pompante, la frenata risulterà più lunga con pastiglie usurate.
Un altro aspetto di cui tenere contro riguarda la manutenzione. Chiunque abbia avuto occasione di mettere mano a freni di tipo tradizionale, sa che spesso i pistoncini a causa dello sporco che si accumula nellintercapedine pistoncino/corpo pinza freno (polvere, residui di pastiglia), non lavorano in maniera simmetrica. Inoltre se non puliti accuratamente i pistoncini oppongono resistenza quando si cerca di fargli rientrare durante il cambio pastiglie. Il sistem PCB sulla carta risolve questi problemi. Eliminando lintercapedine si elimina fisicamente lo spazio in cui può infilarsi lo sporco. Inoltre il cambio pastiglie risulterà molto più rapido: non è infatti necessario far rientrare i pistoni in quanto la posizione neutra della membrana è sempre uguale indipendentemente dallo stato di usura delle pastiglie.
Unaltra considerazione da fare invece riguarda la membrana del sistema PCB e la sua deformazione. Negli impianti frenanti infatti si raggiungono pressioni di esercizio piuttosto elevate. Sotto pressioni elevate la membrana tenderà inevitabilmente a deformarsi. Questo da un punto di vista pratico significa che la frenata potrebbe non risultare netta (rock solid come si dice in inglese) in quanto al momento del contatto pastiglie/disco una parte della forza applicata sul freno viene dissipata con una deformazione della membrana. Ad ogni modo se questo da un punto di vista della potenza frenante risulta molto svantaggioso, dal punto di vista della modulabilità è invece positivo.
Dalla teoria alla pratica: il test.
A questo punto non ci resta che controllare con un test sul campo se queste considerazioni hanno un riscontro pratico e quanto siano influenti durante lutilizzo dellimpianto.
Ashima ha fornito alla nostra redazione un impianto freni da testare, vedremo come si comporterà sul campo.
Stay tuned e seguite gli aggiornamenti nella sezione Test!