La posizione delle pinze freno
Quali sono i criteri per la scelta della posizione delle pinze freno nei sistemi frenanti degli autoveicoli?
Ti è mai capitato di fare una passeggiata ed osservare la posizione delle pinze freno sui dischi delle autovetture? A me sì, perché sono un po’ fissato. Pertanto, ho deciso di scrivere questo articolo con lo scopo di illustrare brevemente i principali criteri che condizionano la scelta della posizione delle pinze freno.
Andando a dare una rapida occhiata ai sistemi frenanti di diversi autoveicoli è facile notare che, nella stragrande maggioranza dei casi, le zone in cui sono collocate le pinze freno sono due:
- davanti al centro ruota (fig. 1);
- dietro al centro ruota (fig. 2).
Fig.1 – Ruota anteriore di una Jeep New Renegade. Le pinze freno sono in posizione avanzata.
Fig. 2 – Ruota anteriore di un’Alfa Romeo 4C. Le pinze freno sono in posizione arretrata.
Packaging
Il principale fattore che influenza la posizione delle pinze freno è certamente il packaging, cioè il vincolo imposto dagli ingombri dei vari sottosistemi che costituiscono l’autotelaio. Lo spazio destinato alla pinza freno deve essere ricavato tenendo conto degli ingombri dei componenti della sospensione e, nel caso dell’avantreno, soprattutto di quelli del sistema di sterzatura.
Solitamente, nelle vetture a trazione anteriore e motore trasversale si è costretti a posizionare la tiranteria di sterzo in posizione arretrata e quindi le pinze freno vengono poste davanti al centro ruota (fig. 3).
Fig. 3 – Ruota anteriore di un’Alfa Romeo Giulietta.
Nelle vetture con motore longitudinale e trazione posteriore (fig. 4), ma anche in quelle con motore boxer (fig. 5), i tiranti di sterzo trovano spazio in posizione avanzata, di conseguenza le pinze freno possono essere installate dietro al centro ruota.
Fig. 4 – Avantreno di una BMW M4. L’architettura dell’auto consente di collocare la tiranteria di sterzo in posizione avanzata lasciando spazio per le pinze freno dietro al centro ruota.
Fig. 5 – Particolare dell’avantreno di una Subaru Impreza STI del 2005.
Analogo discorso può essere fatto sul retrotreno: le pinze freno vengono collocate in base agli spazi occupati dai componenti della sospensione (fig. 6-7).
Fig. 6 – Particolare del retrotreno di un’Alfa Romeo 147. Il link trasversale anteriore della sospensione è più vicino al centro ruota rispetto a quello posteriore e lascia spazio alla pinza freno.
Fig. 7 – Particolare del retrotreno di una Subaru Impreza STI del 2005. La posizione fortemente avanzata del gruppo molla-ammortizzatore non lascia altra scelta che collocare la pinza freno dietro al centro ruota.
Sulle vetture commerciali di bassa e media fascia il fattore packaging è certamente il criterio che detta legge, poiché a tali veicoli non sono richieste prestazioni particolari.
Riduzione dei carichi sui cuscinetti
Un secondo fattore che condiziona la posizione delle pinze freno è l’influenza che essa esercita sulle sollecitazioni trasmesse ai cuscinetti dei mozzi durante la frenatura.
In fig. 8 è schematizzata una ruota non frenata, soggetta alla sola forza peso P ricevuta dal corpo vettura.
Fig. 8 – Quando la ruota non è frenata, sul cuscinetto grava la forza peso P.
In fig. 9, invece, ho riportato lo schema di un disco con pinza freno posta anteriormente al centro ruota. Visualizzando le sollecitazioni in gioco e facendo un semplice equilibrio di forze notiamo che l’azione di frenatura va a sovraccaricare il cuscinetto con la forza F.
Fig. 9 – Se la pinza freno è posta davanti al centro ruota, al carico P agente sul cuscinetto si aggiunge la forza F.
Al contrario, se analizziamo il caso di pinza freno collocata dietro al centro ruota, constatiamo che l’azione di frenatura scarica il cuscinetto (fig. 10). Ciò vuol dire che la reazione agente sul cuscinetto va a sottrarsi al carico verticale totale riducendo la sollecitazione complessiva sul cuscinetto.
Fig. 10 – Se la pinza freno è posta dietro al centro ruota, al carico P agente sul cuscinetto si sottrae la forza F.
Per una vettura ad elevate prestazioni, questo è un buon motivo per avere le pinze dell’avantreno in posizione arretrata. Infatti, i carichi verticali agenti sugli assi di auto supersportive aumentano notevolmente per effetto della deportanza aerodinamica: questo porta ad avere una maggiore disponibilità di forze al suolo (comprese quelle frenanti). Se le pinze freno vengono poste davanti al centro ruota, i carichi verticali sui cuscinetti saranno la somma di ben quattro contributi: la forza verticale dovuta alla massa del veicolo, quella dovuta alla deportanza, quella dovuta al trasferimento di carico in frenata e la forza di reazione causata dall’azione frenante della pinza sul disco (fig. 11).
Fig. 11 – Visualizzazione dei carichi verticali che gravano sui cuscinetti dell’avantreno in frenata. In questo caso la pinza è posta davanti al centro ruota.
Ponendo invece le pinze freno in posizione arretrata si riescono a scaricare i cuscinetti della porzione di forza dovuta all’azione frenante della pinza sul disco (fig. 12).
Fig. 12 – Ponendo la pinza freno dietro al centro ruota, l’azione di frenatura riduce il carico verticale complessivo sui cuscinetti dell’avantreno.
Si faccia attenzione ad una cosa: la posizione delle pinze freno influisce sul carico verticale trasmesso ai cuscinetti, ma la forza verticale scambiata tra lo pneumatico ed il suolo rimane invariata, in quanto essa dipende dalle forze esterne agenti sul veicolo (forza aerodinamica, posizione del baricentro, ecc.).
L’effetto benefico sui carichi agenti sui cuscinetti assume significato soprattutto sull’avantreno. Infatti, durante l’azione frenante, è proprio l’avantreno che assume la maggior parte del carico verticale e che sviluppa, di conseguenza, le maggiori forze frenanti. Questo fatto è testimoniato visivamente anche dal diverso dimensionamento delle pinze freno anteriori rispetto a quelle posteriori (fig. 13).
Fig. 13 – Su tutte le vetture le pinze freno anteriori hanno dimensioni maggiori rispetto alle posteriori.
Distribuzione delle masse
Un terzo aspetto che viene influenzato dalla posizione delle pinze freno è la distribuzione delle masse. Infatti, avvicinare le pinze al baricentro del veicolo vuol dire ridurre i momenti d’inerzia della vettura (fig. 14): ciò porta ad avere un mezzo più agile e reattivo nei cambi di direzione. Naturalmente tale effetto può diventare rilevante solo in veicoli estremamente leggeri e prestazionali, non certo sulle vetture stradali, dove la percentuale di massa delle pinze freno è praticamente irrisoria rispetto al totale.
Fig. 14 – Immaginiamo di avere un’asta con due masse alle estremità. Prendiamo una seconda asta più corta, ma con le stesse masse. Il baricentro delle due aste (pallino rosso) cadrà sempre al centro, ma se provassimo ad impugnare le due aste e a farle ruotare, noteremmo che per muovere la più lunga dovremmo utilizzare molta più forza. Ciò scaturisce dal fatto che l’asta più corta ha un momento d’inerzia inferiore.
Casi particolari
Vi sono casi in cui le pinze freno vengono collocate in posizioni inusuali per motivi particolari.
Ad esempio, esse possono essere installate nella parte superiore del disco (fig. 15): in tal modo, ad esempio, se ne può ridurre l’imbrattamento dovuto alla percorrenza di tratti fuoristrada.
Fig. 15 – Ruota anteriore di una Suzuki Jimny. La pinza freno è sopra al centro ruota.
In altri casi, il gruppo disco-pinza può essere installato persino sul gruppo differenziale: tale soluzione può scaturire da molteplici esigenze, quali la necessità di disporre di attacchi molto robusti per frenare grosse masse, la ricerca di punti protetti dalla proiezione di fango e detriti, la difficoltà nel collocarle in prossimità delle ruote su mezzi per impieghi particolari.
In sintesi..
Hai appena dato uno sguardo ai principali fattori che condizionano la scelta della posizione delle pinze freno. Forse d’ora in avanti guarderai le pinze freno delle automobili con un altro occhio.
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ottimo articolo, veramente interessante
Grazie.
Davvero chiaro e interessante. Può scrivere qualcosa in più sulle installazione dei dischi freno direttamente sugli assali (come avviene nei veicoli miitari)? Grazie
Grazie per la richiesta. Dato che è un’architettura di nicchia non mi sono dilungato in questo articolo, ma, visto che può essere d’interesse, lo metto sicuramente in coda nella programmazione dei prossimi articoli (ho già ricevuto due richieste per altri argomenti: barre duomi e differenziali).
Grazie per il nuovo articolo!
Figurati. Dovere!
articoli chiari: si lasciano leggere con facilità
grazie!!!!
È un piacere. Grazie!
Salve io ho una fiat x1/9 e con i freni non ci salto fuori mi blocca troppo facilmente le ruote anteriori quando freno.. La senza ione é che non carica peso sulle ruote quando pinzo.. Le pinze sono installate anteriormente potrebbe cambiare la situazione se le mettessi posteriori al disco? Grazie in anticipo se mi darà un opinione..
Buongiorno Ivano,
Escluderei un miglioramento spostando le pinze freno nella parte posteriore del disco. Piuttosto, se già non l’ha montato, installerei un ripartitore di frenata regolabile in modo tale da poter tarare manualmente il rapporto di frenata tra avantreno e retrotreno in funzione della ripartizione dei carichi dinamici della vettura. In rete ce n’è qualcuno adatto proprio per la x1/9.
Buongiorno e grazie per il suo articolo.
Anch’io ho sempre curiosato sulla posizione delle pinze dei freni e sono ad oggi non ho trovato risposte neanche da persone che lavorano in campo automobilistico.
Mi sembra di aver capito tutto tranne questa cosa: nel caso di pinza avanzata ok il maggior carico sul cuscinetto, non capisco perché rimane invariato tra gomma e strada.
Premetto non sono un esperto ma solo un curioso.
Grazie
Buongiorno Giuliano,
Il carico tra gomma e strada rimane invariato perché le condizioni al contorno sono le stesse: pari massa del veicolo, pari decelerazione e quindi pari reazione sul centro ruota.
Riferendosi al mozzo ruota, il bilancio delle forze F è nullo perché entrambe hanno direzione verticale, ma senso opposto. La forza F derivante dall’azione di frenatura va sempre a sommarsi al carico statico P, ma in un caso agisce sul cuscinetto (sovraccaricandolo), nell’altro agisce sulla pinza.