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.
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 Fx è la forza frenante scambiata tra pneumatico e suolo, mentre FA e FB 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 Fx 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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articolo sintetico ma assolutamente lodevole. Grazie Manuel.
È un piacere Maurizio.
Molto interessante
PS
sto ancora aspettando che mi arrivi il link della registrazione
Ti ringrazio per la segnalazione perché ho visto che anche altri utenti non erano stati confermati. Ti ho reinviato la mail di attivazione.
Articolo interessante e facilmente comprensibile anche da un profano come me . . . bravi e grazie per averlo pubblicato
E’ un piacere. Grazie a te!
Argomenti stimolanti. Gli articoli che sono stati annunciati su antidive e antisquat, saranno sicuramente interessanti.
Mi sembra si capire che nei freni outboard, che hanno le pinze vincolate alla sospensione, le forze frenanti vengono trasmesse al telaio mediante i bracci delle sospensioni distribuendosi secondo il rapporto antidive proprio della geometria della stessa tra forze che sono assorbite dalle molle e forze che si trasmettono direttamente al telaio. Nel caso di freni inboard le forze di frenata passano direttamente dal punto di contatto al terreno al telaio come si trattasse di un corpo rigido e quindi, calcolate come forze esterne (dipendono dal passo e dall’altezza del baricentro) vengono assorbite dalle molle. E’ questo che si intende per “cambia l’indice antidive”?
Grazie, per quanto possibile cerco di fare articoli su argomenti generalmente poco divulgati o comunque mi propongo di affrontarli in modo diverso rispetto al solito.
Per quanto riguarda l’influenza della posizione dei freni (outboard/inboard) sull’antidive è più o meno come hai intuito. Se il gruppo freno è vincolato al montante ruota, gli organi della sospensione sono soggetti alla coppia di reazione dovuta alla frenatura, mentre se è vincolato al telaio esso esercita la coppia frenante sul semiasse e quindi la coppia di reazione si scarica direttamente sul telaio.
Dal punto di vista grafico, considerando il sistema veicolo completo, cambia la retta d’azione delle forze scambiate tra il terreno ed il veicolo.
Ad esempio, concentrandosi sull’avantreno e guardando il veicolo lateralmente, nel caso di freni posti sul montante ruota (outboard), la retta di azione della forza trasmessa dal terreno al veicolo passa per il centro dell’orma di contatto della ruota anteriore. Invece, nel caso di freni inboard, la retta di azione passa per il centro del mozzo ruota. In entrambi i casi summenzionati, l’altro punto per il quale passa la retta d’azione si trova sull’orizzontale per il baricentro del veicolo ed è situato in una posizione tra i due assali del veicolo che dipende dalla percentuale di forza frenante espressa dall’avantreno rispetto al retrotreno (se ad esempio il retrotreno non frenasse, tale punto si troverebbe esattamente sulla verticale per il centro dell’asse posteriore).
In ogni caso, vi è la dipendenza dalla posizione del baricentro, dal passo e dalla ripartizione della forza frenante.
Purtroppo spiegarlo a parole non è molto agevole, per questo spero di trovare quanto prima il tempo di preparare un articolo con molte illustrazioni al riguardo.
Il suo sito consente agli appassionati come me di poter discutere e confrontarsi in maniera rigorosa. Grazie per le risposte sempre veloci e approfondite.
Complimenti davvero chiaro ed esaustivo avrei comunque 2 domande..
1) perché marchi blasonati su auto sportive non utilizzano tale sistema.. se ad esempio progetto una “la ferrari” non mi interessa né il costo né se la sostituzione delle pastiglie risultasse meno agevole e mi sembra evidente il vantaggio in termini di cinematica delle sospensioni e di tenuta più che di frenata.
2) se si installassero 2 dischi per lato anziché 1 gli spazi di frenata si ridurrebbero di molto secondo lei, magari proprio se posizionati in board? Ovviamente aumenterebbe il peso ma ad esempio lavorando meglio la sospensione si potrebbero istallare ammortizzatori più piccoli e leggeri e recuperare peso, comunque ipotizzando 2 auto identiche in termini di peso 1 tradizionale l’altra con 2 dischi per ruota e posto.che da 100 km/h la prima freni in 30metri la seconda in quanto fermerebbe? Finisco dicendo che probabilmente un doppio disco carboceramico con 2 pinze a 8 pompanti probabilmente non peserebbe molto di più di 1 disco in ghisa e 1 pinza, certo i semiasse sarebbero più grossi o forse in carbonio o leghe per contenerne il peso. Grazie ancora e scusate la lungaggine.
Buonasera Daniele,
Grazie per l’intervento.
Le criticità principali che i dischi in board hanno su un’auto ad alte prestazioni, più che su altre, sono legate soprattutto al ridotto raffreddamento, agli spazi di installazione e al fatto di dover sovradimensionare i semiassi. Questi fattori negativi non bilanciano i vantaggi.
Per quanto concerne invece l’uso di 2 dischi per aumentare la forza frenante, direi che sugli autoveicoli non è necessario, in quanto tutta la capacità frenante di cui si ha bisogno può essere ottenuta da un solo disco dimensionando in maniera corretta tutto il sistema. Il collo di bottiglia è più che altro la forza longitudinale a disposizione tra penumatico e suolo. Infatti, se anche avessi la possibilità di esercitare una coppia frenante infinita, ciò che riesco a trasmettere a terra è limitato dall’aderenza disponibile.