Ashima PCB vs impianti a pistoni

Danybiker88

Redazione
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Torino
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Ashima, azienda Taiwanese specializzata nella produzione di impianti frenanti, dischi e pastiglie, ha lanciato sul mercato un nuovo impianto frenante senza pistoni.
Quest’oggi 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 l’organo 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 quest’ultimo 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 all’interno 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 l’olio 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 all’interno del circuito idraulico il pompante, ovvero un pistone che va a comprimere l’olio, o per meglio dire va a spingerlo all’interno del condotto idraulico (tubo) verso la pinza freno, visto che l’olio è incomprimibile.

Il movimento del pompante collegato con la leva quindi crea una “pressione” nell’olio (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 dell’olio con frecce verdi.

L’olio spinto dal pompante, rappresentato dalle frecce verdi, viene spinto in entrambe le cavità della pinza. Per il principio dei vasi comunicanti la pressione all’interno delle due cavità è uguale. L’olio spinge quindi in maniera uniforme su tutte le pareti del circuito, che tuttavia sono indeformabili. L’unico elemento mobile sono i due pistoncini, che spinti dalla pressione dell’olio 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 l’olio all’interno 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

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 l’impianto, impedendo la fuoriuscita dell’olio ed evitando l’ingresso di aria o di sporco.
- Dall’altro svolge la funzione di elemento elastico per garantire il ritorno dei pistoni nella posizione di riposo.

Vediamo di analizzare questo secondo punto…

Contrariamente a quello che si può pensare, la guarnizione non scorre durante il normale funzionamento dell’impianto (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 dall’olio spinto dal pompante nel circuito. Nella posizione di riposo il quad ring assume conformazione con sezione quadrata, senza deformarsi. Quando il pistone viene spinto all’esterno, 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 all’interfaccia quad ring/pistone infatti non sono sufficienti a vincere l’attrito statico gomma/polimero (o ceramica o alluminio) e di conseguenza non si ha movimento relativo tra i due elementi.
Per quanto riguarda invece l’interfaccia 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 dall’attrito 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 l’attrito 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 l’assottigliamento del ferodo dovuto all’usura. A questo punto l’escursione 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 all’avvicinarsi dei pistoni al disco, il nostro impianto frenante è in grado di garantire la stessa frenata indipendentemente dall’usura delle pastiglie.

I freni a membrane: Ashima PCB.


Immagine 06: pinza freno Ashima PCB. Si noti all’interno la membrana. Quello rosso all’esterno è il condotto dell’olio.
Introdotti di recente dalla ditta taiwanese Ashima, i freni PCB (PanCake Brake) utilizzano invece dei pistoncini una membrana in gomma, con all’interno 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 l’olio viene spinto all’interno della pinza freno. La spinta dell’olio 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 l’omegeneità 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. L’unica 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 l’usura 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 nell’intercapedine 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 l’intercapedine 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.

Un’altra 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 l’utilizzo dell’impianto.

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!
 

 

cerrotorre

Biker marathonensis
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Bozen
Bike
Gravel
Argomento molto interessante e le considerazioni finali coincidono con la mia personale opinione sui due sistemi. Anche con lo svantaggio di pistoni sporchi, credo che il sistema classico a pistoncini non sia affatto superato.
 

ribazzi

Biker superis
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Verona
...dubbi su questa tecnologia ne ho un bel po' ma per ora sono dubbi "sulla carta", aspettiamo con ansia il test,
mi pare la cosa più saggia da fare.
 

Dane

Biker cesareus
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GO/TS
Ma tale membrana è da sostituire a tempo o chilometri prestabiliti per evitare rotture da fatica?
(a sensazione direi che i quanring hanno meno problemi da questo punto di vista)
 

WILDERNESS MAN

Biker assatanatus
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Bruntino BG
provati per tre mesi

Un’altra 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.

considerazione assolutamente condivisa, puoi tranquillamente togliere il condizionale..... infatti sono tornato agli avid, meccanici, assolutamente fantastici, non mi piace l'ABS..........
 

killer fiore

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Forli
dany ti sei sbagliato., minore è la superficie maggiore è la pressione, sono inversamente proporzionali...la formula ke hai scritto è errata
 

davide43

Biker tremendus
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collegno TO
quello che non mi convince è il recupero usura delle pastiglie
gia a metà usura la distanza sarebbe di più di 1 mm per parte , la corsa della leva sarebbe eccessiva
 

ribazzi

Biker superis
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Verona
Ciao Dany, ottimo articolo come sempre, molto chiaro e ben scritto. Vorrei segnalarti il mio test sull'impianto frenante Ashima PCB, realizzato la scorsa estate (visto che sono l'autore della foto della pinza PCB :-) )
Beh...ma che lavoro hai fatto??? Bravo! :hail:
Adesso, visto che sei di alcuni mesi in vantaggio sul test ufficiale del forum, tienici informati su come vanno 'sti freni nel lungo periodo. Vedo che già qualcuno si lamenta delle membrane che cedono...:medita:
 

piersantelli

Biker velocissimus
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Beh...ma che lavoro hai fatto??? Bravo! :hail:
Adesso, visto che sei di alcuni mesi in vantaggio sul test ufficiale del forum, tienici informati su come vanno 'sti freni nel lungo periodo. Vedo che già qualcuno si lamenta delle membrane che cedono...:medita:
Ti ringrazio.
Sono ansioso anch'io di leggere il test completo dei ragazzi della redazione poiché mi fido delle loro analisi.
Uso questi freni da agosto con grande soddisfazione, spingendoli ben oltre il loro scopo costruttivo (indicativamente cross country, marathon), in quanto mi dedico ad escursioni in montagna con discese su sentieri impegnativi e molto tecnici, diciamo tra l'all mountain e qualcosa di più :-)
Si può quindi parlare di test di lungo periodo, ormai.
Le prestazioni sono molto convincenti, la potenza adeguata, la modulabilità della frenata (necessaria sui passaggi tecnici lenti) ottima. Anche alla fine di discese ripide e lunghe, non ho notato cali prestazionali (la bici pesa 13 kg, io 70, lo zaino e l'abbilgiamento 10).
La manutenzione è molto ridotta. Se si va proprio nello sporco, tornato a casa, cerco di pulire le pinze e i disframmi con uno straccio.
Vanno benissimo con le pastiglie Ashima sinterizzate, un po' meno con le SOS (peccato, l'idea era buona). L'altro grande vantaggio è che le pastiglie, alla fine, sono delle XTR, e le trovi anche in un paesino di montagna in caso di emergenza.
Ci sono stati dei pareri non positivi, li ho letti. Ma temo che alcuni di loro si aspettassero una frenata ultra potente, mentre il plus dei PCB è la grande modulabilità. Con ciò, io riesco a bloccare senza problemi entrambe le ruote, per quanto inutile, pericolosa e dannosa per i sentieri possa essere questa azione.
I difetti li ho già messi in evidenza: trovo il sistema di fissaggio del perno delle pastiglie (un minuscolo forcellino) poco azzeccato, in quanto è facile smarrirlo nelle operazioni di manutenzione; così come avrei voluto un sistema tool less di regolazione della leva. Ma hanno puntato moltissimo sul contenimento del peso (sono pur sempre i freni più leggeri in commercio), per cui...
Saluti
 

imeiprezime

Biker popularis
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7/9/09
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Trieste
dany ti sei sbagliato., minore è la superficie maggiore è la pressione, sono inversamente proporzionali...la formula ke hai scritto è errata
F=PxS, dimensionalmente la formula sembra corretta [N]=([N]/[m*m])*[m*m] da cui si ottiene [N]=[N].
Devi considerare che la pressione sia la causa e la forza l'effetto.
 

Pietro.68

...estiqaatsi...
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14/9/10
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nel medio Brenta
mercatino.mtb-mag.com
Bike
una...
Infatti. Considerando F costante, all'umentare di S diminuisce P. Per cui a parità di P se raddoppi S hai una F maggiore (motivo per cui nelle moto si fanno le pinze a 8 pistoncini).
E me sembra più un impianto da competizione, per le dimensioni contenute e la leggerezza, tanto nelle competizioni le pastiglie le cambi ad ogni gara e quindi eviti l'effetto allungamento dovuto all'usura.
Una cosa OT: perchè nelle bici non si adottano le pinze flottanti (per risolvere il problema di allineamento disco pinza)?
ciao
 

toni.bacan

Biker tremendus
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22/8/07
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Garda-Lessinia
Piccola Errata Corrige!!!!!

IL FUNZIONAMENTO DEI PISTONI.
....

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 dell’olio con frecce verdi.

......

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 l’olio all’interno del circuito. Senza scendere in dettaglio diciamo che è possibile realizzare pompanti più o meno potenti e più o meno modulabili.​
Si, OK.

- 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.
NO!

Ciò che realmente determina la forza frenante è (come giustamente detto nel punto 1) la capcità di fare leva della leva freno ed il coefficiente d'attrito che sviluppa la pastiglia. Ed è totalmente ininfluente dalle supuerfici.

Questo perchè:
Il concetto di "Forza = Pressione x Superficie" è corretto, però è altresì vero che "P= F / S" e la pressione di un fluido è costante in ogni suo punto solo se si parla di gas (quando si ha a che fare con liquidi e/o fluidi Bingham le cose cambiano un pochino :nunsacci: )
E' corretto dire che per il principio dei vasi comunicanti la pressione è uguale su entrambe le superfici dei pistoni, però poi finisce lì.

Quello che è da considerare è che per l'equilibrio statico delle forze, la forza di compressione esercitata dalle pastiglie sul disco è uguale alla forza di compressione esercitata dai pistoni sulle pastiglie, che a sua volta è uguale alla forza esercitata dall'olio sulle pareti dei pistoni, che a sua volta è identica alla forza esercitata dalle leva del freno.

A questo punto, per concludere ciò che resta da dire è che la frenata è data dall'alttrito che si crea tra disco e pastiglia e la forza d'attrito è uguale a "Fa = F x A"
dove: F = forza esercitata dal freno
e A = coefficiente d'attrito del materiale con cui è fatta la pastiglia.


Ai fini teorici, avere una pastiglia grande il doppio significa solo avere una pressione esercitata dimezzata (che motiplicato per il doppio della superficie crea la stessa forza)
Ai fini pratici invece, avere una pastiglia più grande significa avere un componente critico soggetto a minori stress fisico/meccaico/chimici (vedi surriscaldamento, consumo, vetrificazione-perdita di attrito)

Ed avere dei pistoni più grandi invece vuol dire avere maggiore "modularità" della frenata perchè più è grande la superficie del pistone e maggiore è il volume di olio da dover muovere per ottenere lo stesso spostamento (che tradotto in termini di modularità vuol dire che si riesce a dosare con più precisione la forza applicata).​
 
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WILDERNESS MAN

Biker assatanatus
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Bruntino BG
Interessante ...
Dany.... valuta se non sia il caso di riportare un'altro aspetto di questi freni.
Stando a questo articolo http://www.bikemagic.com/gear-news/ashima-launches-innovative-new-disc-brakes/6860.html
... a riposo, le pasticche disterebbero fino a 0.7mm dal disco.
Questo potrebbe risolvere alla radice i problemi di contatto disco-pad a riposo.
il mio all'anteriore sfregava che era un piacere, mentre al posteriore nessuno zin zin, smontando la pinza anteriore si notava anche ad occhio nudo che la membrana di sinistra non era perfettamente a filo della faccia della pinza ma sporgeva di qualche mm, mentre al posteriore perfettamente a filo......
 

ilmitico

Biker ultra
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27/3/09
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NAPOLI
Finalmente sto cominciando a capire qualcosa dei freni idraulici: Leggendo quanto scritto, quindi, sembrerebbe che la moggior o minore potenza dipenda più dal comando (pompante+leva) che dalla pinza stessa. Giusto?:nunsacci: