Freni a disco interni (inboard disc brakes)

Un’inusuale architettura del sistema frenante: i freni a disco interni.

Tutti noi siamo abituati a vedere i freni a disco delle autovetture installati sui montanti ruota: difatti, la quasi totalità dei comuni autoveicoli adotta questa architettura (fig. 1).

Fig. 1 – Freno a disco installato sul montante ruota.

Vi sono, però, alcuni casi eccezionali in cui i dischi freno vengono montati sulla scocca del mezzo, a monte dei semiassi (per semplicità, nel corso dell’articolo mi riferirò a questa soluzione con la dicitura freni a disco interni).

Fig. 2 – Freni a disco nel sottoscocca di una Lotus Esprit del 1980.

Fig. 3 – Particolare del differenziale di un Hummer H1. Si notino i freni a disco collocati a monte dei semiassi.

In passato tale soluzione era un po’ più diffusa, mentre al giorno d’oggi è diventata una vera e propria rarità e caratterizza veicoli destinati ad usi particolari.
Vediamo i pro ed i contro di tale scelta costruttiva.

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Riduzione delle masse non sospese.

La riduzione delle masse non sospese è uno dei principali motivi che hanno giustificato il posizionamento dei dischi freno a monte dei semiassi su numerose vetture sportive del passato.
Come abbiamo già visto nell’articolo Sospensioni dipendenti o indipendenti?, la riduzione delle masse non sospese, cioè di tutto ciò che è a valle del gruppo molla-ammortizzatore, apporta benefici sia al comfort, sia alla capacità degli pneumatici di scambiare forze a terra, e quindi alla tenuta di strada.
Eliminare i freni dal montante vuol dire ridurre la massa che si muove verticalmente assieme alla ruota.

Riporto nuovamente i due grafici illustrati nell’articolo citato, i quali mostrano rispettivamente l’andamento dell’accelerazione verticale della cassa del veicolo (comfort) e la variazione della forza verticale tra pneumatico e suolo (capacità di scambiare forze a terra) al variare della frequenza delle asperità stradali e per diversi valori della massa non sospesa m_ns (per maggiori dettagli invito a leggere l’articolo Sospensioni dipendenti o indipendenti?).

Fig. 4 – Fattore di accelerazione verticale dello chassis del veicolo. Riducendo la massa non sospesa m_ns il picco di accelerazione verticale si sposta verso le alte frequenze, cioè verso valori meglio tollerati dal corpo umano.

Fig. 5 – Fattore di variazione del carico verticale sulle ruote. Riducendo la massa non sospesa m_ns diminuisce l’entità della fluttuazione della forza verticale scambiata tra pneumatico e suolo. 

Riduzione delle sollecitazioni sui componenti strutturali della sospensione.

Se la pinza freno è posta sul montante ruota, quest’ultimo deve sopportare una coppia che tende a farlo ruotare quando viene azionato il freno. Ciò dà luogo al sistema di forze illustrato in fig. 6, in cui F_x è la forza frenante scambiata tra pneumatico e suolo, mentre F_A e F_B sono le reazioni degli attacchi dei braccetti della sospensione sul montante ruota AB (per semplicità di trattazione ho considerato un montante ruota perfettamente verticale al suolo).

Fig. 6 – Freni a disco collocati sul montante ruota: sistema di forze agenti sul montante.

In fig. 7 è illustrata la medesima situazione, ma con freni a disco interni. In questo caso, dato che la coppia frenante proviene direttamente dal semiasse, la forza F_x sollecita il montante AB all’altezza del centro ruota. Come si può dedurre dalle formule, l’adozione di freni a disco interni implica una migliore distribuzione dei carichi sugli attacchi A e B della sospensione.

Fig. 7 – Freni a disco collocati a monte dei semiassi: sistema di forze agenti sul montante ruota.

Naturalmente, montando i freni a disco sulla scocca bisogna considerare i carichi trasmessi ai componenti sui quali essi vengono vincolati. Ad esempio, nel caso di un veicolo con motore e trazione anteriori con freni a disco installati sul differenziale, i supporti motore saranno soggetti anche alle reazioni dovute all’azionamento dei freni, oltre che a quelle dovute alla coppia del motopropulsore.

Maggiori libertà nel packaging della sospensione.

L’installazione di una pinza freno non può prescindere da un corretto dimensionamento dei punti di vincolo in base alle forze che essa scambia con il disco.
Ricavare tali punti sul montante ruota spesso non è immediato in quanto esso deve già ospitare gli attacchi degli elementi della sospensione, il cuscinetto ruota, il braccetto di sterzo (se l’asse è sterzante), ecc.
In tal senso, il posizionamento dei freni sulla scocca del veicolo può offrire maggiore libertà nella collocazione di tutti quei componenti che vanno ad interfacciarsi con il montante ruota. A ciò si aggiunge il vantaggio che il dimensionamento dei punti di attacco di una pinza freno posta a monte dei semiassi è generalmente soggetto a minori vincoli spaziali e strutturali.

Possibilità di maggiore protezione da fango e detriti.

Parlando di veicoli destinati al fuoristrada, la sistemazione dei freni a disco in corrispondenza delle ruote non offre molte possibilità di protezione da fango e detriti. In tal caso, la migliore soluzione potrebbe essere quella di collocare le pinze freno nella parte superiore dei dischi, al fine di allontanarle il più possibile dal terreno.
Invece, con freni a disco interni, posti a monte dei semiassi, è possibile impiegare protezioni sottoscocca ad hoc in grado di ridurne sensibilmente l’imbrattamento.

Manutenzione più laboriosa.

Uno dei principali punti di forza di un freno a disco posto sul montante ruota è sicuramente la sua accessibilità. Basta smontare il cerchione ed il gruppo frenante è immediatamente raggiungibile per ispezioni ed eventuali interventi di manutenzione, riparazione o sostituzione.
Lo stesso non possiamo dire per i freni a disco interni. Per raggiungere un freno nel sottoscocca bisogna innanzitutto sollevare il veicolo e, in secondo luogo, procedere allo smontaggio di eventuali componenti che ne precludono l’accessibilità.

Ridotta refrigerazione.

Questo è un altro importante punto a favore dei freni montati in corrispondenza delle ruote.
Infatti, per via della posizione, gli scambi termici convettivi dei freni a disco interni sono generalmente ridotti rispetto a quelli dei freni posti sul montante ruota, specialmente con gli attuali cerchi in lega che offrono elevati spazi per il passaggio dell’aria.
Per tale ragione, se i freni a disco vengono posti a monte dei semiassi, è bene garantirgli un adeguato flusso d’aria conformando adeguatamente il sottoscocca o prevedendo eventuali diffusori dedicati.

Utilizzo di semiassi maggiorati.

I limiti di accelerazione e decelerazione di un autoveicolo sono definiti dalla disponibilità di aderenza tra pneumatici e suolo. Solitamente, in frenata, tutti gli autoveicoli riescono a saturare la disponibilità di forza longitudinale arrivando, al limite, al bloccaggio della ruota: basti pensare che l’ABS (di serie su tutte le vetture prodotte dopo luglio 2004) serve proprio ad evitare questo fenomeno. In accelerazione, invece, non sempre la coppia motrice erogata dal propulsore è tanto elevata da sfruttare tutta l’aderenza disponibile. È immediato dedurre che le forze frenanti sono spesso maggiori di quelle traenti.
Ciò si verifica, ad esempio, sull’avantreno di un veicolo a trazione anteriore. In accelerazione, il trasferimento di carico longitudinale fa sì che l’asse anteriore si alleggerisca riducendo la forza che gli pneumatici riescono a scaricare a terra. Durante la frenata, l’avantreno viene invece sovraccaricato e quindi aumenta la forza disponibile per la frenatura. In questo caso, se voglio installare i freni a disco sul differenziale, dovrò dimensionare i semiassi tenendo conto dell’entità della coppia frenante. Quindi, dovrò adottare semiassi di maggior diametro rispetto al caso di freni a disco posti sui montanti ruota.

Cedevolezza torsionale del semiasse.

Questo punto è una sottile constatazione piuttosto che un fattore di vantaggio o svantaggio.
Se applico i freni a disco a monte dei semiassi introduco un seppur minimo sfasamento tra l’azionamento della pinza freno e la trasmissione della forza a terra. Tale sfasamento è dovuto alla cedevolezza torsionale del semiasse ed è tanto maggiore quanto più il semiasse è lungo e sottile.

Diverso comportamento antidive.

Anche questo punto è più che altro una constatazione e per spiegarne compiutamente i motivi dovrei prima fare un articolo sui concetti di antidive, antilift e antisquat.
Per il momento ve la racconto così, in modo molto approssimativo, ma prossimamente approfondirò con un articolo dedicato.
Le accelerazioni longitudinali a cui è soggetto un autoveicolo danno luogo a trasferimenti di carico tra gli assali ed al moto di rotazione della cassa (beccheggio).

Fig. 8 – Moto di beccheggio in frenata.

Al fine di avere un buon feeling di guida ed ottimizzare la dinamica del veicolo è bene limitare il moto di beccheggio adottando specifiche geometrie delle sospensioni.
In particolare, è possibile individuare tre casistiche principali.
– I veicoli a trazione anteriore in accelerazione tendono a sollevare il muso: la geometria adottata sull’avantreno per ridurre tale fenomeno è detta antilift.
– I veicoli a trazione posteriore in accelerazione tendono ad abbassare il posteriore: la geometria adottata sul retrotreno per ridurre tale fenomeno è detta antisquat.
– In frenata, i veicoli tendono ad abbassare il muso e sollevare il posteriore: le geometrie adottate sulle sospensioni per ridurre tali fenomeni sono dette antidive.
Gli indici antilift e antisquat dipendono dalla geometria del veicolo (passo, posizione del baricentro e raggio di rotolamento degli pneumatici), dalla geometria e tipologia delle sospensioni e dal tipo di trazione, mentre l’indice antidive dipende dai primi due fattori summenzionati, dalla ripartizione della forza frenante e dalla posizione dei freni (su ruota o su differenziale).
Da ciò segue che, se spostiamo i dischi freno di un veicolo dal montante ruota ai semiassi, la dinamica di beccheggio in frenata risulterà diversa perché cambia l’indice antidive.

Abbiamo fatto una rapida panoramica delle principali differenze tra freni posti sul montante ruota e freni agenti sui semiassi.
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